Идентификация фотона

Сегодня мир стоит перед необходимостью поисков альтернативных источников энергии. Хотя что их искать, если Солнце каждое утро изливает на Землю столько ее, что нам и не снилось. Тем более что примитивные микробы и даже клетки безъядерных водорослей легко и с пользой для всей биосферы улавливают ее, используя законы квантовой физики. Последнее доказательство в этой области добыли канадские и австралийские ученые из университетов Торонто и Нового Южного Уэльса в Сиднее.

Они представили результаты своих измерений энергетического перехода-трансфера уловленных солнечных фотонов от светоулавливающих антенн в реакционный центр примитивной морской водоросли, в котором содержится хлорофилл. О роли хлорофилла писал еще Климент Тимирязев в начале ХХ века. Этот процесс настолько быстр, что не успевает произойти рассеяние энергии возбуждения.

Здесь можно сделать одно отступление. Речь идет о так называемой квантовой когерентности, которая возникает в определенных условиях, но быстро нарушается при столкновении с реалиями жизни, то есть привычного нам макромира. Нарушение когерентности мешает ученым построить надежный и эффективно функционирующий квантовый компьютер. До самого последнего времени, отмечают ученые из Торонто и Сиднея, считалось, когерентность между молекулами не может сохраняться на больших расстояниях, которые присущи биологическим системам. Они, похоже, это убеждение развеяли.

Оказалось, что светоулавливающие протеины с «внедренными» в них молекулами самых что ни на есть желчных пигментов, части которых обретают энергию возбуждения с поглощенным фотоном солнечного света, надолго удерживают ее даже при комнатной температуре (для квантовой физики это – запредельная «жара»). Энергия, достигшая хлорофилла, накачивает электрон последнего до столь высокого уровня, что он потом после падения с высот возбуждения разбивает вдребезги молекулу воды на составляющие ее части. Кислород, будучи агрессивным клеточным ядом, выводится в атмосферу на радость всем, дышащим этим газом. Водород же в виде протонов идет на синтез молекулы АТФ, главного энергоносителя клеток, с помощью энергии которой восстанавливается до сахара углекислый газ.

Чуть ли не со времен Тимирязева известно, что на разбиение одной молекулы воды требуется четыре электрона, выбитых из хлорофилла благодаря энергии фотонов. О скорости энергопередачи, необходимой для сохранения квантовой когерентности, говорит тот факт, что ученые возбуждали молекулы пигментов лазерными импульсами продолжительностью всего лишь 25 фемтосекунд (10–15 сек), что в миллион раз меньше всем уже привычных наносекунд (последними оперируют в GPS и мобильной связи).

Квантовая система протеинов, ширина которых не превышает 5 нанометров (нм), сохраняла при комнатной температуре когерентность в течение 400 фемтосекунд. Это был самый настоящий шок для ученых, которые надеялись поддерживать возбужденное состояние не дольше 100 фемтосекунд! Можно добавить также, что все детали устройства столь совершенного квантово-биологического «девайса» были рассмотрены под рентгеном с разрешением 0,14 нанометра.

Остается только надеяться, что в каком-то обозримом будущем биотехнологии попытаются как-то смоделировать это природное чудо. Это, конечно же, более реальные перспективы, нежели давно прогнозируемое использование биологических систем, которые очень капризны.