Сегодняшний пост посвящен глубоким основам науки, а именно квантовой биологии и биотехнологии. На этой статье мы погрузимся в процесс фотосинтеза, но на этот раз с особым фокусом на его квантово-биологическую составляющую – экситоны.
Хотя основы фотосинтеза знакомы нам со школьной скамьи, при более детальном рассмотрении этот процесс оказывается поразительно сложной системой с тонкой пространственно-временной организацией.
Фотосинтез, по сути, является процессом преобразования энергии солнечного света в химическую энергию в форме АТФ. Его эффективность достигает почти 100%, что значительно превосходит возможности любых созданных человеком технологий.
Для упрощения понимания, процесс фотосинтеза можно разделить на две основные стадии: световую и теневую. В случае высших растений, световая стадия протекает в хлоропластах. Здесь квант света, попадая на молекулу хлорофилла, выбивает электрон, порождая всплеск возбуждения, известный как экситон. Ключевая задача световой стадии – преобразование этой энергии в химическую. Для этого экситон должен достичь реакционного центра, где происходит дальнейшая конвертация углекислого газа в сахара.
Однако, возникает закономерный вопрос: как экситон, не обладая "знанием" о направлении и не совершая случайных блужданий, которые неизбежно привели бы к значительным потерям энергии в виде тепла, находит свой путь к реакционному центру? Казалось бы, он должен пройти через всю клетку, потратив огромное количество времени и энергии. Но этого не происходит.
В ходе продолжающихся исследований ученые стали замечать существование удивительных квантовых "махинаций" в процессе фотосинтеза, выдвигая различные гипотезы. Поразительно, но было предположено, что экситон ведет себя как волна, одновременно исследуя все возможные пути к реакционному центру и автоматически останавливаясь на самом эффективном.
Впервые эта гипотеза была подтверждена более десяти лет назад различными группами ученых, и одна из интересных работ, иллюстрирующих это открытие, доступна по ссылке: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1005484107
Как метко заметил Филип Болл: «Природа — лучший учитель, и этот тезис стар, как мир. Только никому еще не приходило в голову, что природа сможет показать нам, как устроено загадочное квантовое царство».
Это подчеркивает, насколько глубокие и удивительные принципы могут быть скрыты в самых обыденных, на первый взгляд, биологических процессах, и как много мы можем почерпнуть из изучения природы для понимания фундаментальных законов Вселенной, включая квантовый мир.
#irinabiomol