Водоросли освоили квантовую механику при комнатной температуре

Ученые выяснили, что фотосинтез у водорослей происходит по законам квантовой механики при 21 градусе Цельсия. До сих пор считалось, что квантово-механические эффекты проявляются только при значительно более низких температурах. Статья исследователей опубликована в журнале Nature. Ее краткое изложение приводит New Scientist.

Фотосинтез — это процесс получения органических веществ из углекислого газа и воды. Он происходит под воздействием солнечного излучения. Для протекания фотосинтеза растению необходимо "поймать" фотон определенной энергии. Фотон переведет молекулу особого белка в так называемое возбужденное состояние. На следующей стадии фотосинтеза молекула возвращается в основное состояние, испуская при этом электрон. Электрон несет энергию и передвигается от одной молекулы к другой. Конечным результатом таких перемещений станет синтез растением органической молекулы.

За время пути электрон понемногу теряет энергию. Если фотосинтез протекает по законам классической физики, то дополнительные потери энергии происходят, когда электрон "пробует" различные пути дальнейшего путешествия (направление "прыжка" выбирается случайно). Если же в фотосинтезе задействованы квантово-механические эффекты, то электрон получает возможность одновременно попробовать все возможные пути. Такое состояние называется суперпозицией.

Авторы новой работы решили проверить, задействована ли в протекании фотосинтеза квантовая механика. Для этого они переводили молекулу антенного белка (белок, который "ловит" фотоны) PC645 водоросли Chroomonas в возбужденное состояние при помощи очень короткого лазерного импульса. Недавно другой группе ученых удалось в деталях изучить структуру PC645, уточняет журнал The Wired. Это знание позволило исследователям очень точно направить лазер.

Анализируя картину, возникающую при испускании белком PC645 электронов, ученые могут определить, "работает" ли в этом процессе квантовая механика. Полученные исследователями данные свидетельствовали, что электрон в возбужденной молекуле белка находится в состоянии суперпозиции.

Двумя годами ранее другой коллектив авторов также показал, что электроны в антенных белках находятся в состоянии суперпозиции. Однако ученые работали с системами, охлажденными до минус 196 градусов Цельсия. В таком холоде квантово-механические процессы замедляются и их проще наблюдать. Однако существование "неклассических" процессов при столь низких температурах не означает, что они происходят в нормальных условиях. Новая работа является веским доказательством в пользу того, что они происходят.

Благодаря фотосинтезу в атмосфере молодой Земли появились значительные количества кислорода. Наличие этого элемента сделало возможным развитие огромного количества живых организмов, в том числе и человека. Совсем недавно появилась работа, авторы которой собрали доказательства того, что этот важнейший процесс возник на миллиард лет раньше, чем считалось до сих пор.