Откри квантовомеханичните трикове на фотосинтезата
Квантовата механика в действие е открита в клетките на морските водорасли от Грегъри Шоулс и колеги от Университета на Торонто. Трябва да се отбележи, че ефективното пренасочване на енергията се извършва по време на фотосинтезата и при нормални температури.
Учените са изследвали водораслитеChroomonas CCMP270и са искали да разберат как функционират молекулите, участващи в процеса на фотосинтеза. Известно е, че растенията използват слънчева светлина, за да превърнат водата и въглеродния диоксид в кислород и захари.
Растителните клетки съдържат протеини, които действат като антени, които пренасочват абсорбираната фотонна енергия към реакционните центрове, където протича процесът на преобразуване на веществото. Въпреки това много малко се знаеше за работата на същите тези антени.
Антените имат осем пигментни молекули, всяка от които абсорбира светлина от определена част от спектъра. Енергията преминава през антените ефективно - по най-краткия път (по-рано биолозите само гадаеха за това). Въпреки това, според законите на класическата физика, разпределението на енергията трябва да бъде произволно.
За да изяснят ситуацията и да попълнят съкровищницата от знания, Шолс и неговите сътрудници изпратиха кратки, слаби лазерни импулси към протеините на антената и изследваха преразпределението на енергията вътре в клетките на водораслите. „По този начин ние симулирахме поглъщането на светлина“, казва Грегъри в прессъобщение от университета.
Изследователите са използвали само два от осемте пигмента, но електроните на всички тези молекули са преминали в квантова суперпозиция на възбудени състояния и са останали в тази „позиция“ за цели 400 фемтосекунди. Това време е достатъчно, за да може енергията на погълнатия фотон едновременно да „обиколи“ всички възможни пътища през антената. След като суперпозицията се „разпадна“, енергиятаизбра най-краткия път и се пренасочи към центъра за реакция без загуба.
Ангел дава следната аналогия: изглежда, че антената прави квантово смятане, за да определи кой начин за пренасочване на енергията е по-изгоден. Между другото, наскоро учен от Чикаго повтори експериментите си и „повдигна“ температурата до 4 °C. Тогава кохерентното състояние продължи 300 фемтосекунди.
Остава да разберем как пигментните молекули изпълняват тези трикове (а именно как успяват да останат в квантова суперпозиция толкова дълго при толкова високи температури). Може би въпросът е в структурата на протеините на антената. Ако учените разберат проблема до края, тогава те могат да създадат изкуствен аналог на биологична квантова система. А това от своя страна означава, че ще бъде възможно да се произвеждат например по-ефективни слънчеви панели.
Научете също за предложението за въвеждане на вирус в суперпозиция на две квантови състояния и за експерименти за трансформиране на електрическа верига в квантова система. И прочетете мистерията на четирите манганови атома.