Использовала ли жизнь мощь квантовой механики?

 

Квантовая механика кажется нам очень странной, поскольку мы не можем увидеть ее проявления в наблюдаемом мире. Более того, их воздействие обычно ограничено мельчайшими составляющими вещества, лежащими за пределами наших чувств, например электронами или атомами. А когда триллионы микроскопических частиц собираются вместе внутри больших объемных объектов, вся квантовая таинственность как бы смывается последовательными колебаниями молекул, или шумом.

 

Вот почему ученым приходится исследовать квантовые явления в разреженных лабораторных условиях. Они должны охлаждать все до абсолютного нуля, выкачивать весь воздух и ограждать свои опыты от любых посторонних вибраций. Только тогда они смогут обнаружить тонкие квантовые явления.

Жизнь – горячая, беспорядочная и сложная. Она идет внутри органических клеток, полных толкающихся частиц, которые порождают какофонию молекулярных шумов. Складывается впечатление, будто последнее, что там можно было бы найти, – это квантовая механика. Тем не менее в последние годы становится все яснее, что квантовое поведение проявляется и внутри живых клеток. Возможно, оно объяснит фотосинтез, работу энзимов, как ориентируются в пространстве птицы и даже как работает ДНК. Кажется, жизнь эволюционировала для использования таинственности квантовой механики, чтобы не дать нам умереть.

 

Да будет свет: фотосинтез

 

Фотосинтез – одна из самых важных для жизни химических реакций. Он использует энергию солнечного света, чтобы создать биологические строительные блоки, но его необычайную эффективность трудно объяснить.

Первый этап фотосинтеза – это захват фотона света электроном на внешней оболочке атома магния внутри молекулы пигмента хлорофилла. Дополнительная энергия заставляет электрон колебаться, образовывая нечто, называемое экситоном.

Следующий шаг – это перенос электрона к центру реакций, где захваченная световая энергия может быть превращена в химическую энергию. Этот процесс должен пройти очень быстро, иначе световая энергия будет утеряна. Но чтобы найди центр реакций, экситон должен пересечь лес молекул пигмента, где его энергия, скорее всего, пропадет. Но измерения показывают, что перенос экситонов имеет самую высокую эффективность из всех реакций переноса энергии, близкую при оптимальных условиях к 100%. Этот уровень эффективности трудно объяснить, применяя только классическую физику.

Что происходит? В 2007 году Грег Энгель, сейчас работающий в Чикагском университете, проводил эксперименты, где луч лазера направляли на фотосинтезирующую систему бактерии. В ответ он получил что-то вроде светового эха. Необычным здесь было то, что эхо возвращалось биениями. Эти «биения» были знаком квантового поведения и продемонстрировали, что экситон шел не по одному конкретному маршруту через фотосистему, а собирал все возможные маршруты, распространяясь к центру реакций как квантовая волна. Это стало первым прямым свидетельством того, что в основе фотосинтеза лежит квантово-механический процесс. С тех пор квантовая когерентность была обнаружена во многих бактериальных и растительных фотосистемах и оказалась фундаментальной особенностью захвата световой энергии растениями и микробами. Примечательно, что эти хрупкие состояния сохраняются даже при окружающих температурах – особенность, вызывающая как интерес, так и зависть у разработчиков квантовых компьютеров, которым обычно приходится производить свои вычисления при температурах, близких к абсолютному нулю.

 

 

Может ли квантовый фотосинтез привести к созданию более эффективных солнечных батарей?

Будем надеяться. Грег Энгель из Чикагского университета, первым обнаруживший квантовые биения в фотосинтезе, выводит синтетические молекулы пигмента, которые имеют те же самые свойства когерентности, что и молекулы пигмента, обнаруженные в фотосинтезирующих комплексах клеток. Цель его работы состоит в том, чтобы в конечном счете создать солнечные батареи, которые смогут взаимодействовать с энергией так же эффективно, как это происходит в природе. Но потребуется много лет, чтобы его труды принесли существенные результаты, и перед тем, как это произойдет, нам нужно узнать больше о том, как жизни удается так долго поддерживать когерентность.