Ученые из Университета Райса показали, что растения могут ускорять перемещение энергии между молекулами с помощью квантовой запутанности, что на макроуровне выглядит как «обман» законов физики. Исследование опубликовано в PRX Quantum..
Эффективный перенос энергии жизненно важен для процессов вроде фотосинтеза. Когда солнечный свет попадает на лист, энергия должна быстро проходить через белковые структуры, прежде чем быть использованной растением. Ученые давно подозревали, что здесь участвует квантовая механика, и теперь получили первые подтверждения.
Команда построила простую молекулярную модель с двумя зонами: донорной, где энергия поглощается, и акцепторной, куда она должна прийти. Энергия могла «прыгать» от участка к участку — чаще короткие переходы, иногда длинные. Ученые учли воздействие окружающей среды, например вибрации, которые могут мешать или помогать переносу энергии.
«Если энергия изначально распределена по нескольким участкам сразу, она достигает акцептора быстрее, чем при старте из одного места. Даже при помехах окружающей среды делокализованное квантовое состояние создает больше возможных путей для движения энергии, ускоряя ее передачу», — объясняет Гвидо Пагано, доцент физики и астрономии и корреспондирующий автор исследования.
Другими словами, когда энергия стартует сразу из нескольких точек (в состоянии квантовой суперпозиции), она движется эффективнее, обходя преграды и не теряя времени на поиск пути. Это свойство позволяет растениям максимально быстро использовать свет, что на макроуровне выглядит как «нарушение» привычных правил классической физики.
«Природа использует квантовую запутанность и когерентность, чтобы ускорять передачу энергии и повышать надежность процесса», — добавляет Пагано.
Такие открытия могут вдохновить новые технологии. Например, солнечные батареи будущего могут применять квантовую когерентность для более эффективного перемещения энергии внутри устройства, снижая потери и повышая производительность.
Хотя модель была простой, она дает понимание для более сложных молекул. Эксперименты с квантовыми платформами, например системами захваченных ионов, помогут проверить эти эффекты на практике.
«Мы соединяем мир квантовой информации с наблюдаемыми биологическими процессами. Квантовая когерентность — это не только теория, она реально используется природой», — говорит Диего Фаллас Падилья, первый автор исследования.
Работа показывает, что квантовые эффекты, часто ассоциируемые с футуристическими вычислениями, уже лежат в основе жизни, помогая растениям использовать энергию максимально эффективно.
Квантовый скачок: запутанный свет сократил время изучения процессов с 20 млн лет до 15 минут
Ученые доказали, что квантовый мир можно расширить до наномасштаба
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram