Учёные из Университета Райс приблизились к разгадке одного из самых загадочных явлений в природе — того, как растения способны перемещать энергию почти без потерь. Исследование, опубликованное в журнале PRX Quantum, показывает: секрет может скрываться в квантовой запутанности — явлении, которое до сих пор считалось достоянием мира физиков, а не биологии.
Процессы вроде фотосинтеза зависят от того, насколько эффективно молекулы передают энергию друг другу. Каждая ошибка в этом "танце фотонов" обернулась бы потерей света, но природа действует с невероятной точностью. Долгое время оставалось неясно, как ей это удаётся. Новые симуляции, проведённые в Университете Райс, показали: когда энергия возникает не в одной точке, а в запутанном, делокализованном состоянии, она распространяется в молекулярной структуре гораздо быстрее.
"Делокализация начального возбуждения по нескольким узлам ускоряет перенос способами, которые недостижимы при старте с единственного центра", — пояснил доцент кафедры физики и астрономии Гвидо Пагано.
Учёные создали модель, имитирующую донорный и акцепторный участки молекулы — места, где энергия поглощается и куда она должна попасть. Виртуальные "вибрации среды" добавляли системе реалистичности, ведь в реальной биологии молекулы постоянно взаимодействуют с окружающим миром.
Результат оказался однозначным: запутанное состояние даёт энергетическим потокам больше путей, сокращая время переноса. Даже шумы среды — то, что обычно мешает квантовым системам, — не уничтожали этот эффект.
"Начальное состояние в виде квантовой суперпозиции предоставляет системе больше путей для переноса", — добавил Пагано.
Полученные результаты позволяют предположить, что квантовые эффекты — не случайность, а естественный инструмент живых систем. Природа словно "знает" о законах микромира и умело использует их для повышения эффективности.
"Наша цель — создать мост между абстрактным миром квантовой информации и конкретными механизмами, наблюдаемыми в биологии", — сказал первый автор работы, выпускник Университета Райс Диего Фальяс Падилья.
Исследователи уверены: если живые организмы уже миллионы лет применяют принципы квантовой когерентности, то человек может использовать их для новых технологий — от солнечных батарей до квантовых датчиков.
|
Параметр |
Природные системы (фотосинтез) |
Искусственные системы (солнечные элементы) |
|
Тип переноса энергии |
Квантовая когерентность и запутанность |
Классический поток электронов |
|
Потери при переносе |
Минимальные |
До 30% и выше |
|
Структура |
Самоорганизованные белковые комплексы |
Неорганические материалы |
|
Контроль среды |
Естественный баланс вибраций и связей |
Зависимость от внешних факторов |
|
Потенциал оптимизации |
Использование квантовых состояний |
Применение когерентных материалов нового поколения |
Представьте, что растения используют запутанность так же, как человек — в квантовых компьютерах. Только вместо вычислений они проводят энергию, сохраняя каждый фотон. В этом случае фотосинтез оказывается не просто химической реакцией, а живым примером квантового проектирования.
И если это так, то перед нами открывается новый уровень понимания жизни — как системы, способной использовать законы микромира в макромасштабах.
|
Аспект |
Плюсы |
Минусы |
|
Эффективность |
Быстрый перенос без потерь |
Требует деликатного баланса условий |
|
Устойчивость |
Работает даже при шуме среды |
Трудно воспроизвести в лаборатории |
|
Технологическое применение |
Возможность улучшения солнечных панелей и сенсоров |
Сложность масштабирования |
|
Научная ценность |
Расширяет понимание биофизики |
Порождает споры в академической среде |
Как запутанность может существовать в живых системах?
Она проявляется на молекулярном уровне — в виде когерентных колебаний между участками, участвующими в переносе энергии.
Зачем изучать это явление?
Понимание квантовых механизмов фотосинтеза поможет создавать новые материалы и энергетические технологии с минимальными потерями.
Можно ли наблюдать запутанность напрямую?
Пока нет. Учёные используют косвенные методы — симуляции, спектроскопию и квантовые модели.
Будут ли созданы "квантовые растения"?
Теоретически возможно — если инженеры смогут воспроизвести природные механизмы переноса энергии в искусственных структурах.
Исследование Университета Райс напоминает: природа может быть самым опытным инженером во Вселенной. Её механизмы работают с точностью, недостижимой для человеческих технологий. Возможно, именно квантовая запутанность — тот скрытый код, по которому устроена жизнь, а наша задача — наконец научиться его читать.