Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

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.

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.

Самым известным предлагаемым примером квантовой биологии является система навигации зарянки (см. рис. 6.1). Каждую зиму эта птица улетает на юг, подальше от замерзающего севера; чтобы помочь себе ориентироваться, она использует особый тип встроенного компаса, который может измерять угол между магнитным полем Земли и ее поверхностью.

Рис. 6.1. Зарянка ( Erithacus rubecula ) в полете. В миграции зарянкам, возможно, помогает квантовый компас.

Как работает этот «угловой компас»? В 2000 году у Торстена Ритца из Калифорнийского университета возникла идея, что этот процесс может зависеть от специфических особенностей квантовой запутанности. Когда две запутанные частицы имеют электрические заряды, они могут измерять угол между отрезком, их соединяющим, и магнитным полем Земли. Ритц предложил модель птичьей магниторецепции: свет создает пару запутанных частиц в глазу зарянки, которые становятся компасом, способным измерять угол наклона магнитного поля Земли. Согласно одному из предсказаний этой теории, компас, основанный на квантовой запутанности, разрушается высокочастотными радиоволнами – те же результаты продемонстрировали и тесты.

Это не доказывает, что компас зарянки имеет квантово-механическую природу, но до сих пор никто так и не смог дать альтернативное объяснение результатам экспериментов Ритца.