Рослини «знаються» на квантовій фізиці

Рослини «знаються» на квантовій фізиці

Декілька років тому було доведено, що на початкових етапах фотосинтезу працюють квантові ефекти. Рослини поглинають частинки світла — фотони, енергія яких надзвичайно швидко та ефективно перетворюється в «зеленому реакторі». Система працює настільки злагоджено саме за рахунок квантових процесів, однак у їх розумінні залишались загадки, які вдалось розгадати лише тепер. Результати нових досліджень не лише прояснюють фундаментальний механізм фотосинтезу — досвід природи може буде використаний для створення більш ефективних світлочутливих елементів.

Квантові ефекти в біології

З мікроскопічної точки зору життя — це довжелезна плетениця паралельно протікаючих атомарних та електронних процесів. Водночас, атоми і електрони підкоряються законам квантової механіки. Виникає цілком природне запитання: чи не використовує життя, хоч в якомусь своєму прояві, квантові ефекти?

На тему квантових ефектів в біології варто говорити дуже акуратно. По-перше, треба уникати переливання з пустого в порожнє. Квантова механіка відповідальна за існування і властивості атомів та молекул, а значить, визначає і властивості речовини, як живої, так і неживої. Це — тривіальне застосування квантової механіки, і безпосередньо біології воно не стосується. По-друге, не слід впадати і в нічим не обґрунтовані фантазії. Існує багато спроб різного ступеню маргінальності прив'язати квантовомеханічні ефекти до спадковості, до біологічної еволюції і навіть до природи свідомості. Це спекулятивні припущення, які натикаються на стіну критики, подолати яку не можуть.

Однак між цими двома крайностями є і справжні наукові питання. Чи існують біологічно важливі молекули або їх великі комплекси, які реально використовують нетривіальні, «негарантовані» квантові ефекти для виконання своїх функцій? «Негарантовані» вони в тому сенсі, що вони не визначаються властивостями окремих атомів, а виникають тільки в складних молекулах спеціального виду; що їх біологічний ефект неможливо пояснити у всіх деталях без залучення квантової механіки.

Кілька десятиліть тому це були спірні питання. Зараз ми вже знаємо відповідь: так, існують, і такі молекули реально працюють в живих організмах. Цих прикладів поки не так багато, але той факт, що вони є, по-перше, вражає сам по собі, а по-друге, може виявитись дуже корисним для розробки нових, ще більш ефективних технологій.

Квантова когерентність у фотосинтезі

Один з найяскравіших та найбільш вивчених ефектів стосується механізму фотосинтезу, а точніше, найперших його етапів. Складний молекулярний комплекс, який використовується бактеріями і рослинами для уловлювання світла, поглинає фотон і збуджує електронну структуру молекули. Зазвичай це електронне збудження знаходиться далеко від реакційного центру — тієї частини комплексу, яка здатна використовувати це збудження для своїх цілей. В результаті перед фотосистемою постає завдання — передати електронне збудження від точки поглинання фотона до точки передачі енергії в реакційний центр.

В принципі, така передача може відбуватись і звичайним способом. За рахунок взаємодії між молекулами електронне збудження просто перескакує з одного острівця на інший, поки не досягне потрібної точки. Тут якихось спеціальних квантовомеханічних ефектів ніби й не потрібно. Проблеми, однак, починаються при спробах зіставити числа. Відомо, що ефективність цього процесу близька до 100%, тобто енергія практично кожного поглиненого фотона досягає реакційного центру, а не губиться по дорозі. Зауважте, це все відбувається не в стерильних лабораторних умовах, а при кімнатній температурі в реальних молекулах, які занурені у біологічний розчин і постійно піддаються хаотичним тепловим зіткненням з оточуючими молекулами. Крім того, було відзначено, що цей процес протікає надзвичайно швидко; настільки швидко, що час перекидання межує з мінімально дозволеним за законами квантової механіки!

Теоретичне моделювання показало, що при заданому просторовому розташуванні тільки спеціально підібраний квантовий зв'язок між острівцями здатний так швидко передавати збуджений стан. «Квантовість» тут проявляється в тому, що початкове збудження не стрибає з одного конкретного острівця на інший. Воно делокалізується, йде одночасно декількома шляхами, і лише під кінець знову збирається разом в єдине збудження на потрібному острівці — це і є квантова когерентність. Згодом, у 2007 році, були проведені експерименти, які переконливо довели, що переміщення електронного збудження дійсно проходить відповідно до квантових законів і використовує квантову когерентність.

Вібронний механізм передачі енергії

Доведення причетності квантової когерентності до біологічних світлоіндукованих процесів не лише стало ключовим відкриттям у цій галузі біофізики, а й породило нові загадки. Головна з них — незрозуміла живучість квантової когерентності. Електронні процеси в молекулах протікають у фемтосекундних часових масштабах. Проте навіть у масштабах пікосекунди (1 пс = 1000 фс) атоми активно ворушаться за рахунок теплового руху. Здавалось би, цей хаотичний тепловий рух повинен руйнувати квантову когерентність електронних збуджень. Однак експерименти наполегливо показують, що ця когерентність живе пікосекунду і більше.

Ця загадка породила безліч суперечок і шквал нових досліджень. Особливий інтерес викликала запропонована два роки тому ідея про те, що в основі цього явища лежить не екситонний (тобто чисто електронний), а вібронний (коливальний) механізм передачі енергії світла. Говорячи простими словами, з цієї моделі виходило, що коливання атомів не руйнують, а скоріше, навпаки, підтримують квантову когерентність збудження, оберігають її від хаотичного впливу оточуючих молекул.

***

Тут варто дати невелике пояснення термінів «екситонний» і «вібронний».

У суцільній речовині, наприклад в кристалі, через тісне розташування і сильний зв'язок окремих іонів і електронів змінюється саме поняття того, хто подорожує по кристалу і що він переносить. По кристалу переміщаються не частинки в їх «первозданному вигляді», в якому вони існують у вакуумі, а колективні збурення, квазічастинки. Так, електрон провідності в кристалі поводиться зовсім не так, як електрон у вакуумі. Коливання кристалічної решітки переносяться у вигляді колективних атомних рухів, фононів. В молекулярних кристалах, де у кожному вузлі сидить складна молекула, існують екситони — локалізовані всередині молекули електронні збудження, які передаються від молекули до молекули і в такий спосіб переміщаються по кристалу.

На додаток до цього, всі ці типи квазічастинок можуть впливати один на одного. Вони можуть навіть зв'язуватись один з одним і подорожувати разом. Вібронне збудження (або просто віброн) — це спільне, зчеплене коливання електронів і окремих атомів всередині складних молекул; це, фактично, пов'язаний стан екситонів і фононів. Вібронні коливання не потребують для свого існування кристалів, вони можуть проявлятись і всередині однієї достатньо складної молекули.

***

Припущення про ключову роль вібронних коливань в механізмі фотосинтезу піддалось всебічному аналізу. Були запропоновані методи, за допомогою яких вдалося б розрізнити екситонні і вібронні механізми, був розвинений і теоретичний опис явища.

У 2014 році вже пішли експериментальні результати. Так, в січні, на прикладі відносно простих молекул в розчинах, було продемонстровано, що квантова когерентність в молекулі дійсно тримається на пікосекундному масштабі за рахунок вібронних збуджень. Це, однак, було лише доказом того, що таке явище працює в принципі, і тепер вимагалось перевірити, чи присутнє воно в реальних фотосинтетичних системах, які використовуються живими організмами. І тільки в липні були одночасно опубліковані дві статті, які остаточно доводять наявність і важливу роль вібронного механізму передачі збудження в реальних фотосистемах.

В обох роботах вивчалась хлорофіл-вмісна фотосистема II, яка використовується рослинами для фотосинтезу. Вона являє собою комплекс пов'язаних молекул, в різних місцях якого можуть існувати електронні збудження з частковим поділом заряду. Їх енергії збудження злегка відрізняються одна від одної. Це, з одного боку, дозволяє комплексу поглинати світло в досить широкому діапазоні частот, а з іншого боку, натякає на те, що для перекидання енергії між різними типами екситонного збудження потрібне якесь додаткове коливання, яке і забезпечується вібронами.

І нарешті, ще одне важливе спостереження. В реальних умовах просторова структура цього комплексу не строго фіксована, а допускає різні конформації білків, які до нього входять. Проте ефективність уловлювання світла і передачі його в реакційний комплекс від цього не страждає. Це означає, що цей механізм має бути достатньо гнучким, він повинен функціонувати і при помірних спотвореннях структури, що теж натякає на участь в цьому процесі руху атомів.

Головним експериментальним методом обох статей, — та й взагалі всіх робіт по перевірці квантової когерентності в молекулах — став метод двовимірної електронної спектроскопії. За допомогою пари імпульсів в зразок по черзі запускаються два коливання з різною частотою. Для кожної пари частот отримується деяка інтенсивність сигналу. Шляхом перебору різних частот будується інтенсивність на двовимірному графіку, звідси і слово «двовимірна». Поява помітного піку при незбіжних частотах означатиме якесь додаткове коливання, яке і свідчить про наявність когерентності.

Вимірюючи положення піків, можна з'ясувати, що це було за додаткове коливання і якою була його частота. Саме так в двох нових роботах і було встановлено, що ці додаткові частоти відповідають вібронним коливанням, спектроскопія яких вже була відома. Додатковим підтвердженням послужило порівняння з результатами моделювання: чисто екситонне збудження втрачало когерентність на масштабі в сотні фемтосекунд, і лише при врахуванні вібронних коливань когерентність жила понад пікосекунду.

Далі перед дослідниками відкриваються нові питання і нові можливості. Детальне розуміння квантових ефектів у фотосинтезі, можливо, допоможе створити нові світлочутливі елементи з ефективністю близькою до 100% — те, що сучасним технологіям поки не під силу. Ну а біологи можуть спробувати розібратись, яким же чином в ході еволюції виникла і реалізувалась ця «здогадка природи» — використовувати квантові ефекти для кращого уловлювання світла і використання його енергії.

X

Вхід

Завантажую...