Сделан шаг в налаживании промышленного фотосинтеза

Сегодня ученые близки к тому, чтобы разобраться на квантовом уровне в механизмах фотосинтеза, который природа с успехом применяет уже сотни миллионов лет. Фото с сайта www.pixabay.com

Еще Климент Тимирязев восхищался хлорофиллом, отмечая свечение его спиртового раствора после переноса из светлой в темную комнату. Естественно, что ботаник ничего не знал о квантовых процессах, протекающих при «падении» фотонного потока на атом марганца в центре пиррольного кольца. В отличие от «голого» хлорофилла так называемая вторая фотосистема (ФС II) энергией солнечного света не «разбрасывается». В ней происходит очень эффективный энергетический процесс конверсии фотонов, в результате которого синтезируется разнообразная органика, и в первую очередь глюкоза.

Фотосистема II, структура которой была получена в 2001 году, представляет собой гигантский белковый комплекс, в котором помимо хлорофилла присутствуют своеобразные пламегасители в виде бета-каротина, ксантофилла, феофитина и хинона. Эти вещества играют важную роль в физиологии зрения и участвуют в «сборе» фотонов, падающих на листву растений. Эти фотоны передаются в реакционный центр, где происходит окисление воды с высвобождением водорода, идущего на синтез молекулы АТФ и токсичного для клеток кислорода. Последний выбрасывается в атмосферу.

«Отщипыванием» кислородных электронов в реакционном центре занимается имеющий форму неправильного куба комплекс марганца, кислорода и кальция. Измерения взаимодействия фотона и электрона провели сотрудники австрийского Университета И. Кепплера и их коллеги из Имперского колледжа в Лондоне, сообщает журнал Nature Communications.

Передача энергии уловленных гигантской антенной ФС II фотонов в гораздо меньший по размерам центр реакции окисления воды происходит почти мгновенно – за пару сотен пикосекунд (2 х 10–10 с). Для мониторинга столь краткого процесса ученые использовали несколько инфракрасных лазеров, с помощью которых возбуждали кристаллы ФС II. Высокая степень разрешения метода во времени позволила заснять самое настоящее кино конверсии – перехода лазерной энергии на электрон, который переходил в возбужденное состояние. Последнее происходит значительно быстрее, чем улавливание фотонов антенной и их трансфер в реакционный центр.

Гордость авторов статьи в приложении к журналу Nature вполне закономерна. Им впервые удалось снять столь интересное «кино» про квантовые процессы, протекающие на самых первых этапах фотосинтеза. Теперь надо как можно быстрее смоделировать временные и пространственные параметры работы ФС II в не так давно созданном искусственном «листе». Уже сообщалось, что в нем смогли провести синтез различных веществ и даже некоторых лекарств. Налаживание промышленного фотосинтеза позволит отказаться от сжигания угля, нефти и газа для получения электроэнергии и сделает реальным переход мира к использовании электромобилей и многому другому, о чем могут только мечтать задыхающиеся жители городов, накрытых «подушками» смога.

Между тем в Принстоне, используя «разговор» между фотоном и электроном, ученые создали устройство, которое приближает создание квантового компьютера. В этом устройстве одиночный электрон передает на фотон информацию, в результате чего квант световой энергии становится посредником, передатчиком данных. Фотон затем охотно делится полученной энергией с другими электронами, что и позволило создать на кремниевом чипе цепи передачи и переработки информации. Особенность нового чипа в том, что для передачи данных используется фотон микроволнового диапазона, хорошо знакомого инженерам по той же микроволновке.

Преимуществом микроволнового фотона является его значительно большая – по сравнению со светом – длина волны и соответственно меньшая энергия. Статья ученых в журнале Science называется «Сильное спаривание электрона и микроволнового фотона». Если квантовые чипы станут реальностью, то оправдаются прогнозы нейробиологов о том, что вскоре станет возможным чтение и передача мыслей на расстоянии.