У водорослей обнаружили способность управлять квантовой когерентностью

Команда исследователей Университета Нового Южного Уэльса обнаружила у водорослей, выживающих при крайне низком уровне света, способность включать и выключать странное квантовое явление, которое происходит в процессе фотосинтеза.

Функция водорослей, связанная с квантовым эффектом, известным как когерентность, остается загадкой, но ученые полагают, что исследование этого процесса поможет им собирать энергию Солнца более эффективно.

Разработка технологий на основе живых организмов может серьезно продвинуть технологический прогресс, например, привести к созданию органических солнечных элементов в основе квантовых электронных устройств. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Новое развивающееся поле науки — квантовая биология — обещает открыть нам глаза на многие квантовые процессы в природе, происходящие не только в лаборатории, и даже рассказать, как птицы могут перемещаться с помощью магнитного поля Земли.

«Мы изучили крошечные одноклеточные водоросли — криптофиты — которые процветают на дне бассейнов с водой или под толстым слоем льда, куда доходит очень мало света, — говорит старший автор, профессор Пол Керми. — Большинство криптофитов обладают системой сбора света с участием квантовой когерентности. Но мы нашли класс криптофитов, у которых она отключена из-за генетической мутации, которая изменила форму светособирающего белка».

Это весьма интересная находка. Она открывает возможность сравнить организмы с двумя различными типами одних белков и выяснить роль квантовой когерентности в процессе их фотосинтеза.

В странном мире квантовой физики когерентная система может существовать во многих состояниях одновременно. Этот эффект называется суперпозицией. И он обычно наблюдается только в строго контролируемых лабораторных условиях.

Команда ученых была удивлена, обнаружив в 2010 году, что передача энергии между молекулами в системах сбора света двух разных видов криптофитов была когерентной.

Тот же эффект был обнаружен в зеленых серных бактериях, которые также могут выживать при очень низких уровнях освещенности.

«Предполагается, что этот процесс улучшает эффективность фотосинтеза, позволяя водорослям и бактериям существовать почти без света, — говорит профессор Керми. — После того как светособирающий белок захватывает солнечный свет, он должен доставить его энергию в реакционный центр клетки как можно быстрее, а там эта энергия конвертируется в химическую энергию для организма».

«Предполагалось, что энергия попадает в реакционный центр случайным образом, как пьяница, бредущий домой. Но квантовая когерентность позволяет энергии проверять все возможные пути одновременно, прежде чем выбирать самый быстрый».

В новом исследовании команда использовала рентгеновскую кристаллографию, чтобы воссоздать кристаллические структуры светособирающих комплексов из трех разных видов криптофитов.

Она выяснила, что в двух видах генетическая мутация привела к вставке дополнительной аминокислоты, которая изменяет структуру белкового комплекса, нарушая когерентность.

«Это показывает, что у криптофитов развился элегантный, но мощный генетический переключатель для управления когерентностью и изменения механизмов, используемых для сбора света», — отмечает профессор Керми.

Следующим шагом будет сравнение биологии различных криптофитов, например, живут ли они в разных экологических нишах, чтобы вырабатывать эффект квантовой когерентности для выживания.