Группа учёных из Великобритании (Кембриджский университет), Германии (Институт теоретической физики) и Испании (Политехнический университет Картахены) во главе с Алексом Чином (Alex Chin) из Кембриджа предложила новый механизм, объясняющий необычайную длительность квантовых процессов в процессе фотосинтеза.

«Подозрительная» эффективность некоторых фотосинтезирующих организмов давно вызывает недоумение как у биологов, так и, как ни странно, у представителей других естественнонаучных дисциплин. Основную роль в этом растущем недоумении в последнее время играют зелёные серобактерии — фотосинтезирующие одноклеточные, не нуждающиеся в кислороде (в его присутствии они даже не могут расти) и живущие в связи с этим в экстремальных условиях морских глубин. Именно их в частности обнаружили в районе «чёрных курильщиков» на глубинах до 2 500 метров. Поскольку с солнечным светом так далеко от поверхности есть некоторые проблемы (его там примерно как на Плутоне), обнаруженная GSB1 использует тусклый свет (чтобы не сказать свечение) с длиной волны ~750 нм, испускаемый гидротермальными источниками.

Любые расчёты показывали, что, по сути, практически все фотоны (или по крайней мере 99%), доходящие до зелёных серобактерий в этих условиях, должны использоваться для фотосинтеза. Иначе последние просто не выживут. Проблема в том, что лучшие фотоэлементы на основе полупроводников, имеющиеся сегодня у человечества, показывают эффективность всего лишь в 43–44%. Разумеется, делают они это лишь при невысокой температуре, и уже при 50 ˚С такой КПД им пока только снится.

Рис. 1. Протеин-пигментный комплекс Фенна — Мэттьюса — Олсона, обнаруженный в зелёных серобактериях (здесь и ниже иллюстрации Daniel Cole)…

А вот GSB1 живёт в гидротермальных водах при температурах до 300˚С и давлении до 250 атм (такие организмы почему-то забывают, когда описывают «зону обитаемости»), то есть её эффективность пока не имеет удобопонятного объяснения. Как это часто бывает в последнее время, когда случается нечто подобное, неизбежны попытки объяснить те или иные выдающиеся качества биологических систем квантовыми механизмами. Энергия солнечного света в фотосинтезирующих организмах поступает в центр реакции фотосинтеза в форме экситонов, передающихся по пигментам, структуры которых окружены протеинами. Вместе они образуют протеин-пигментный комплекс (ППК) — основной коридор для экситонов, электронных возбуждений, передающихся от одной молекулы ППК к следующей.

В 2007 году Грэм Флеминг (Graham Fleming) показал, что эти экситоны имеют признаки квантовой когерентности. Иными словами,

они могут существовать в суперпозиции, то есть в ряде альтернативных (взаимоисключающих), но при этом одновременных состояний. В итоге, по его мнению, такая квантовая когерентность позволяла экситону «исследовать» сразу несколько альтернативных, взаимоисключающих маршрутов к центру протекания реакции фотосинтеза, в конечном счёт выбирая кратчайшие, что минимизирует вероятность рассеивания полученной от фотона энергии до её участия в необходимой для организма реакции.

Отметим, что на экситоны, естественно, полагаются в своей работе и фотоэлементы, сделанные человеком, — вот только никакой квантовой когерентности в них не наблюдается, равно как и КПД в 99%.

Причины очевидны: квантовая когерентность в норме нарушается из-за хаотического взаимодействия с окружающими молекулами. По расчётам, нормальное время жизни квантовой когерентности оказалось в 100 раз меньше того, что требуется для достижения экситоном центра реакции фотосинтеза.

Что же позволяет квантовой когерентности удлинять время своего существования в 100 раз?

Рис. 2. …И сами бактерии.

Группа учёных из Великобритании (Кембриджский университет), Германии (Институт теоретической физики) и Испании (Политехнический университет Картахены) во главе с Алексом Чином (Alex Chin) из Кембриджа предложила механизм, который может быть ответствен за столь загадочное продление квантовых состояний. Согласно расчётам,

протеины на деле могут быть более активными участниками фотосинтеза, а не просто упаковкой для пигментов. Их резонансные частоты таковы, что накладываются на длину волны экситонов и позволяют их колебаниям не затухать на протяжении весьма значительного времени. Более того, экситон может временно передать свою вибрацию в протеиновые молекулы, а затем эта же вибрация возвращается обратно к экситону, восстанавливая его квантовую когерентность.

Как отмечают исследователи, ранее другим учёным уже удавалось получить сходные результаты наблюдений, однако все следы взаимодействия протеинов с пигментами в ходе фотосинтеза интерпретировались как «шум»; никто даже не предполагал, что протеины вообще могут хоть как-то участвовать в этом процессе. Небезынтересно и то, что сходные механизмы в глазах птиц также долгое время удивляли учёных способностью значительно удлинять время существования квантовой когерентности, при этом протеины в глазах пернатых тесно соседствуют с пигментами…

Точное понимание механизмов такого рода может способствовать созданию искусственных комплексов, которые удлинят состояние квантовой когерентности, что, предположительно, приведёт к разработке значительно более эффективных фотохимических искусственных преобразователей, отмечают исследователи.

Отметим, что затухание квантовой когерентности, среди прочего, является одной из основных проблем при построении сколько-нибудь масштабных квантовых компьютеров, поэтому возможность стократного удлинения состояния квантовой когерентности могла бы пригодиться и здесь.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.