Кивино гнездо: Зелёный и тёплый

Учёные всерьёз подступились к тайнам физики в процессах фотосинтеза растений — и обнаружили характерные признаки биологического квантового компьютера.

В то время как физики многих стран уже который год и не слишком успешно бьются над тем, чтобы построить эффективный квантовый компьютер при низких, криогенного уровня температурах, другие исследователи выбрали существенно иной путь. И ныне они уже практически уверены, что биологические организмы — в частности, растения, водоросли и бактерии — не только способны к выполнению квантовых вычислений, но и на протяжении миллиардов лет в процессе фотосинтеза делают это при максимально дружелюбной для жизни температуре.

Благодаря процессу фотосинтеза зелёные растения и сине-зелёные водоросли способны передавать солнечную энергию в центры молекулярных реакций для её преобразования в химическую энергию с почти 100-процентной эффективностью. Считается, что ключом тут является скорость — преобразование солнечной энергии происходит почти мгновенно, так что совсем малая её часть теряется на выделение тепла.

Но вот каким именно образом фотосинтез организует такую почти мгновенную передачу энергии — это очень давняя загадка, к решению которой физики начали всерьёз подступаться лишь в 2005-2007 годах. Исследования того периода, проведённые учёными Лоуренсовской лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали, что ответ, похоже, лежит в квантово-механических эффектах. А именно, было получено первое прямое свидетельство тому, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Правда, поначалу продемонстрировать это удалось на образцах бактериохлорофилла, глубоко охлажденных до 77 градусов Кельвина (см. Nature 446, 782-786,12 April 2007)

Теперь же, в одном из последних выпусков журнала Nature, опубликована статья другой группы исследователей из Университета Торонто, Канада, которые показали, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре (см. Nature 463, 644-647, 4 February 2010). Вплоть до настоящего времени, можно напомнить, подавляющее большинство физиков исключает квантовые процессы в работе биологических организмов, настаивая, что при столь высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться настолько долго, чтобы давать что-нибудь полезное для жизнеобеспечения.

Для понимания сути того, что сделали в канадском университете, понадобится немного углубиться в нюансы фотосинтеза. Данный процесс начинается в клетке тогда, когда крупные светособирающие структуры, именуемые антеннами, захватывают фотоны. Конкретно в водорослях Chroomonas CCMP270, изучавшихся биофизиками, эти антенны имеют восемь пигментных молекул, вплетенных в более крупную белковую структуру, причем разные пигменты абсорбируют свет из разных частей светового спектра. Затем энергия фотонов проходит через антенны к той части клетки, где она используется для выработки сахара — химического топлива организма.

Критично важным в данном процессе является маршрут, который выбирает энергия при своих прыжках через эти крупные молекулы, потому что чем длиннее маршрут, тем больше могут быть потери. В классической физике считается, что энергия может перемещаться по молекулам только случайным образом. Однако торонтские исследователи обнаружили, что в действительности механизм выбора маршрута для энергии может быть в высшей степени эффективным. А свидетельство тому дает согласованное поведение пигментных молекул в антеннах водорослей Chroomonas.

Сначала учёные коротким лазерным импульсом возбуждала две из этих молекул, из-за чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний. Когда такая суперпозиция схлопывается (коллапсирует), то излучаются фотоны несколько иных длин волн, которые, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а с другой, в свою очередь, накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, исследователи смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает наблюдаемую картину.

Результаты данного анализа получились воистину удивительными. Оказалось, что в суперпозиции участвуют не только две пигментные молекулы в центре антенн, но также и шесть остальных пигментных молекул. Причем это состояние квантовой когерентности связывает все молекулы необычайно долго — на протяжении 400 фемтосекунд (4 × 10^-13 секунд). Этот интервал оказывается достаточно длительным для того, чтобы энергия абсорбированных фотонов одновременно "опробовала" все возможные пути движения по антенне. Когда же когерентность заканчивается, энергией уже выбран оптимальный маршрут, позволяющий осуществить перемещение без потерь.

Это открытие, надо повторить, опровергает некоторые давно устоявшиеся в квантовой механике воззрения, согласно которым квантовая когерентность не может появляться нигде, кроме криогенных температур, поскольку горячее окружение мгновенно разрушает хрупкий эффект. Тем не менее, нынешние опыты показывают, что в водорослях Chroomonas подобного рода эффекты идут постоянно при комнатной температуре - 21 градус по Цельсию.

По оценкам других специалистов, также разрабатывающих данное направление, сложность эксперимента, поставленного в Торонто, чрезвычайно высока. Аналогичный результат, полученный в Калифорнийском университете в Беркли в 2007 году, удалось продемонстрировать лишь при температуре минус 196 градусов по Цельсию. Там учёные исследовали бактериохлорофилловый комплекс в зелёных серных бактериях и тоже обнаружили, что пигментные молекулы похожим образом объединяются вместе в квантово-механическую сеть с когерентными состояниями. В итоге же ныне исследователи считают допустимым говорить, что в определённом смысле антенны растений и бактерий выполняют процедуры квантовых вычислений для отыскания наилучших путей передачи энергии.

Сейчас один из ведущих авторов калифорнийской команды, Грег Инджел (Greg Engel), продолжает исследования в Чикагском университете, где похожий по сути эксперимент тоже удалось воспроизвести при значительно более дружественной к жизни температуре 4° C. Длительность когерентности у этой команды составляет 300 фемтосекунд (см. arxiv.org/abs/1001.5108v1).

Каким именно образом эти молекулы остаются когерентными в течение столь продолжительного по квантовым масштабам времени при столь высоких температурах, да ещё при относительно огромных расстояниях между молекулами — всё это пока остается большими загадками. На данный момент среди исследователей, занимающихся данной областью, преобладает точка зрения, согласно которой ключевую роль в обеспечении всего процесса играют белковые структуры, в которые вплетены пигменты. Хотя бы уже потому, что без этих структур никакой когерентности не получается.

Ну а что можно сказать о практических приложениях открытия? В первую очередь, высказывается надежда, что глубокое понимание квантовой когерентности в биологических клетках помогло бы при создании более эффективных солнечных элементов питания. А кроме того, если посмотреть чуть пошире и вспомнить, что и в мозге человека целый ряд учёных уже давно усматривает признаки работы квантового компьютера, то есть шанс на этом пути узнать побольше и о тайнах сознания.