«Идея о том, что лист - это просто какая-то зеленая солнечная панель, очень далека от истины....Он строго регулируется и динамичен, и он на все реагирует - на время прохождения облаков или на колебания других листьев на ветру на дереве». Грэм Флеминг профессор химии Калифорнийского университета в Беркли
То, что Флеминг увидел в 2007 году, изучая процесс фотосинтеза на перых этапах поразило его. Вместо картины, где электроны прыгают от одной молекулы к другой, он увидел когерентные волны....
Квантовая механика играет ключевую роль в фотосинтезе, процессе, который делает Землю пригодной для жизни, превращая солнечный свет и углекислый газ в кислород и сахар для роста растений.
Хотя мы все изучаем в школе механизм фотосинтеза, ученым все еще трудно ответить на многие фундаментальные вопросы, касающиеся фотосинтеза. Фотосинтез переводит свет в энергию с коэффициентом преобразования света в химическую энергию выше 90%, тогда как у солнечных батарей он в среднем составляет 16%, иначе говоря, природная эффективность как минимум в шесть раз выше искусственной. Какова природа такой поразительной эффективности? Каков молекулярный механизм окисления воды при фотосинтезе? Как происходит отрыв электрона от атома кислорода в составе молекулы воды, а также перенос и выделение протона?
Фотосинтез — один из самых важных процессов в биосфере планеты. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который используется для генерации денежной валюты любой живой клетки - АТФ (аденозинтрифосфат). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из светособирающих комплексов - пигментов, в реакционный центр.
Было установлено, что этот процесс передачи электрона протекает поразительно быстро; настолько быстро, что время переброса граничит с минимально разрешенным по законам квантовой механики! Мало того, эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия практически каждого поглощенного фотона достигает реакционного центра, а не теряется в пути. Весь этот процесс протекает при комнатной температуре в молекулах, постоянно подвергающихся хаотическим тепловым столкновениям с окружающими молекулами.
Раньше никто из химиков не понимал, благодаря чему достигается такая поразительная эффективность и скорость передачи. С 1930-х годов физики предполагали, что квантовые электроны по сути прыгают от молекулы к молекуле, как лягушка, перепрыгивающая с одной лилии на другую, чтобы пересечь ручей. Другие предполагали, что причиной могут быть неизвестные типы квантовых эффектов.
Квантовая когерентность
Американский химик Грэм Флеминг благодаря созданному им методу сверхбыстрой двумерной спектроскопии, которая использует фемтосекундные импульсы (одна миллионная от одной миллиардной секунды) проследил поток электронов в системе фотосинтеза.
"Используя фемтосекундные импульсы, образно говоря, в качестве фотовспышки, физики научились «останавливать время» и отслеживать движение отдельных атомов в молекулах при химических реакциях (за эти работы американский физик А. Зевейл был удостоен Нобелевской премии по химии в 1999 г." Сергей Никитин
С помощью разработанной Флемингом методики двумерной электронной спектроскопии 2DES было убедительно доказано, что перемещение электронного возбуждения в начальной фазе фотосинтеза использует квантовую когерентность. Электрон не прыгает с одного конкретного островка на другой. Он делокализуется, и как волна одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение в реакционном центре — такое поведение электрона есть проявление квантовой когерентности.
То, что Флеминг увидел в 2007 году, поразило его. Вместо картины, где электроны прыгают от одной молекулы к другой, он увидел когерентные волны промежуточных возбуждений, проходящие через молекулы. Квантовая механика разрешает электрону существовать в двух или более квантовых волновых состояниях одновременно. В силу этого, электрон исследует несколько путей к центру реакции, а затем рекомбинирует по наиболее эффективному пути.
Вибронный механизм передачи энергии
В двух работах, опубликованных в Nature Physics и Nature Chemistry, было показано, что когерентность эта — не чисто электронная, а вибронная, то есть связывающая в единое целое электронное возбуждение и атомное колебание внутри молекулы. Этот результат не только проясняет фундаментальный механизм фотосинтеза, но и позволяет рассчитывать на то, что опыт природы будет использован для создания еще более эффективных светочувствительных элементов.
"Доказательство причастности квантовой когерентности к биологическим светоиндуцированным процессам не только стало ключевым открытием в этой области биофизики, но и породило новые загадки. Главная из них — непонятная живучесть квантовой когерентности. Вообще говоря, электронные процессы в молекулах развиваются на фемтосекундных временных масштабах. На временах порядка пикосекунды (1 пс = 1000 фс) уже активно шевелятся сами атомы за счет теплового движения. По идее, это хаотичное тепловое движение должно разрушать квантовую когерентность электронных возбуждений. Однако эксперименты упорно показывают, что эта когерентность живет пикосекунду и больше.
Эта загадка породила множество споров и шквал новых исследований. Особый интерес вызвала предложенная два года назад идея о том, что в основе этого явления лежит не экситонный (то есть чисто электронный), а вибронный (колебательный) механизм передачи энергии света. Говоря простыми словами, в этой модели получалось, что колебания атомов не разрушают, а скорее, наоборот, поддерживают квантовую когерентность возбуждения, предохраняют ее от хаотического воздействия окружающих молекул." Игорь Иванов "Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность"
Спасибо за внимание!
Все фото взяты с Яндекса в свободном доступе