Огурец на грядке знает о квантовой запутанности больше, чем вы: секрет фотосинтеза потряс даже учёных

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.

Энергия, которая движется быстрее мысли

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.

Когда физика встречает биологию

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.

Сравнение: природа и технология

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что живые системы подчиняются только классическим законам физики.
• Последствие: игнорирование возможных квантовых эффектов в биологических процессах.
• Альтернатива: учитывать когерентность и запутанность как реальные механизмы оптимизации природных систем, особенно в разработке биоинспирированных технологий.

А что если природа — квантовый инженер?

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.

Таблица: плюсы и минусы квантового переноса

FAQ

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.

Мифы и правда

• Миф: запутанность существует только в лабораторных условиях.
  Правда: эксперименты показывают, что когерентные эффекты могут сохраняться и в биологических системах.
• Миф: фотосинтез — чисто химический процесс.
  Правда: квантовые эффекты могут лежать в его основе, обеспечивая уникальную эффективность.
• Миф: шум разрушает запутанность.
  Правда: умеренные вибрации среды иногда даже помогают переносу энергии.

Исторический контекст

1. 1930-е годы - впервые выдвинута идея, что квантовые процессы могут участвовать в биологии.
2. 2007 год - обнаружены признаки когерентности в фотосинтетических комплексах бактерий.
3. 2025 год - исследование Университета Райс подтверждает: запутанность ускоряет перенос энергии даже в моделях, близких к природным.

Три интересных факта

1. Квантовая когерентность длится в живых клетках миллиарды раз дольше, чем в большинстве искусственных систем.
2. Некоторые фотосинтетические организмы способны "переключать" пути переноса энергии в зависимости от освещения.
3. Идеи квантовой биологии уже вдохновляют инженеров на создание сверхчувствительных биосенсоров и систем искусственного фотосинтеза.

Тайна, которую стоит разгадать

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.