Физики нашли кота Шредингера внутри листьев растений
Ученые нашли свидетельства того, что квантовые эффекты и своеобразный "кузен" кота Шредингера играют важную роль в работе фотосинтеза в клетках растений, что может объяснять его аномально высокую эффективность, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry.
"Наши коллеги в прошлом показывали, что в светочувствительных пигментах микробов могут возникать колебания, имеющие квантовую природу. К сожалению, они оказались простыми вибрациями молекул. Мы продолжили поиски и проверили, существуют ли в молекулах хлорофилла состояния, подобные коту Шредингера", - заявил Томас Янсен (Thomas Jansen) из университета Гронингена (Нидерланды).
Растения и бактерии умеют превращать энергию света в питательные вещества при помощи так называемых фотосистем I и II. Вторая система захватывает фотоны света и преобразует их в свободные электроны, а первая расщепляет молекулы воды на кислород и ионы водорода и использует последние для сборки молекул питательных веществ. Работа и структура этих систем хорошо изучена, однако их взаимодействие и расположение внутри клетки оставались загадкой для ученых.
Первые наблюдения за их работой на уровне отдельных молекул и атомов показали, что ее "антенны" они поглощают энергию света и используют ее для производства молекул АТФ, клеточной энерговалюты, и свободных электронов, намного эффективнее, чем предсказывает классическая физика. Это заставило ученых задуматься о том, не используют ли растения и бактерии квантовые эффекты для повышения КПД фотосинтеза.
Как рассказывает Янсен, одна из таких идей заключается в том, что часть ученых считает, что эти свободные электроны ведут себя подобно "коту Шредингера" из знаменитого мысленного эксперимента 1936 года и могут находиться в двух разных состояниях (и точках пространства) одновременно.
Его команда проверила, существуют ли подобные растительные "кошки" на самом деле, наблюдая за взаимодействием молекул хлорофилла со светом при комнатных температурах и при температуре кипения жидкого азота при помощи сканирующего электронного микроскопа.
Для получения ответа на этот вопрос ученые пошли на хитрость - они обстреливали хлорофилл не при помощи обычного, а поляризованного света. Дело в том, что фотосистемы бактерий содержат в себе не одну, а сразу семь молекул, две из которых реагируют на поляризованный свет.
Бомбардируя их поляризованными фотонами, Янсен и его коллеги пытались определить, будут ли они реагировать на них по-отдельности, или же, если они являются общим квантовым целым, будут совместно генерировать свободные электроны.
Как показали эти опыты, частицы света действительно взаимодействовали только с одной из двух молекул, воспринимающих подобный свет, но при этом энергия фотона равномерно "размазывалась" и по той, и по другой световой "антенне". При этом внутри них возникали характерные осцилляции, хорошо знакомые физикам, занимающимся "разведением" котов Шредингера.
"Нам удалось увидеть эти квантовые колебания, и показать, что они существуют ровно столько времени, как предсказывает теория. Это доказывает, что энергия фотона "накладывается" сразу на две молекулы. Дальнейшее изучение этого феномена поможет нам улучшить работу солнечных батарей и ускорить создание квантовых компьютеров", - заключает Янсен.
