Квантова фізика та біологія рослин - це дві настільки різні галузі науки, що складно уявити існування будь-якого зв'язку між ними, але, як не дивно, на глибинному рівні він існує.

Дослідники з американського Міністерства енергетики (DOE), Національної лабораторії в Аргонні (США) і Радіаційної лабораторії Нотр-Дама в університеті Нотр-Дама (Франція) використали метод ультрашвидкісної спектроскопії, щоб простежити процеси, що відбуваються на субатомному рівні - на початковій стадії фотосинтезу. «Якби ми думали, що фотосинтез - це марафон, то зараз ми одержали б фотографію того, що це біг з перешкодами, - говорить біохімік з Аргонна Девід Тайде. - Ми бачимо потенціал розуміння значно більш фундаментальної взаємодії, ніж багато вчених, що розглядали цей процес раніше».

У той час як різні різновиди рослин, морських водоростей і бактерій розробили безліч механізмів, що дозволяють їм збирати енергію світла, вони всі розділяють особливість, відому як фотосинтетичний центр реакції. Пігменти та білки, які знаходяться у центрах реакції, допомагають організмам у проходженні початкової стадії енергетичного перетворення.

Ці пігментні молекули або хромофори відповідають за поглинання енергії, що несе вхідне світло. Після того, як фотон влучає у клітину, він збуджує один із електронів у хромофорі. Коли вчені з Аргонну спостерігали початковий етап процесу, вони побачили те, чого ніхто не спостерігав раніше: єдиний фотон збуджував кілька різних хромофорів одночасно.

«Поведінка, яку ми змогли спостерігати у цих прискорених часових умовах, має у своїй основі дуже складне змішування електронних станів, - сказав Тайде. - Це показує, що біологічні системи вищого рівня можуть привести до фундаментальної фізики, що раніше не здавалося ймовірним і, взагалі, можливим».

В останньому дослідженні вчені довели, що квантова фізика та біологія рослин нерозривно і глибоко пов'язані.

Квантові ефекти, що спостерігались у ході експерименту, передбачають, що природні процеси, які відбуваються під час фотосинтезу, у ході яких збирається сонячне світло, можуть бути більш ефективними, ніж раніше описувала класична біофізика, говорить хімік Гарі Відерречт із Центру нанорозмірних матеріалів Аргонна. «Виникає очевидне запитання: як мати-природа створила такий неймовірно витончений процес?» - говорить він.

Результат дослідження може істотно вплинути на роботу хіміків і дослідників в області нанотехнологій у створенні штучних матеріалів і пристроїв, які зможуть імітувати устрій природних фотосинтетичних систем. Перед дослідниками відкривається довгий шлях, який їм треба буде пройти перш, ніж вони зможуть створити пристрої, які будуть відповідати ефективності рослин у процесі одержання енергії сонячного світла.

Однією з причин складності наближення вчених до цього рішення, як пояснює Тайде, є те, що експерименти в області штучного фотосинтезу не здатні відтворити молекулярну матрицю, яка містить хромофори. «Рівень, на якому ми знаходимось зі штучним фотосинтезом, обмежується нашою здатністю створити пігменти і з'єднати їх, але ми не можемо відтворити зовнішнє середовище, - сказав він. - Наступний крок - побудувати копію цього середовища, після чого ці дивні квантові ефекти, можливо, стануть для нас більш зрозумілими».

Оскільки момент, коли відбувається квантовий ефект, дуже короткий - менший, ніж трильйонна частина секунди - вченим буде нелегко у процесі встановлення біологічних і фізичних обґрунтувань його існування. 

Стаття, що описує роботу вчених, була опублікована 12 березня у виданні Proceedings of the National Academy of Sciences. Дослідження фінансувалося науковим фондом DOE.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: km.ru