Исследователи успешно выявили странный квантовый эффект, который помогает водорослям выживать при очень слабом освещении.
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии обнаружили, что водоросли выживают при слабом освещении, более эффективно получая энергию от солнца благодаря квантовому эффекту, называемому когерентностью.
В настоящее время известно не так много информации о функциях этого квантового эффекта. Но его изучение может привести к технологическим прорывам, например к созданию более эффективных органических солнечных батарей и электронных устройств на основе квантовых технологий.
«Мы изучали крошечные одноклеточные водоросли, называемые криптофитами, которые обитают на дне водоемов или подо льдом, куда попадает очень мало света, — рассказывает старший автор исследования, профессор Пол Карми из Школы физики Университета Нового Южного Уэльса. — У большинства криптофитов есть система сбора света, в которой присутствует квантовая когерентность. Но мы обнаружили класс криптофитов, у которых она отключена из-за генетической мутации, изменяющей форму светособирающего белка». Это очень интересная находка. Это значит, что мы сможем выяснить роль квантовой когерентности в фотосинтезе, сравнив организмы с двумя разными типами белков.
В квантовой физике когерентная система может находиться в нескольких состояниях одновременно, и этот эффект называется суперпозицией, пишут авторы. Это явление можно наблюдать только в контролируемых лабораторных условиях. В 2010 году исследователи обнаружили, что передача энергии между молекулами в системах светоулавливания двух видов криптобионтов происходит когерентно. Такой же эффект наблюдался у зелёных серобактерий, которые, как известно, хорошо себя чувствуют при слабом освещении.
Исследователи предполагают, что это может повысить эффективность фотосинтеза, позволяя бактериям выживать в отсутствие света.
Профессор Курми: «После того как светособирающий белок улавливает солнечный свет, ему нужно как можно быстрее доставить эту энергию в реакционный центр клетки, где она преобразуется в химическую энергию для организма. Предполагалось, что энергия попадает в реакционный центр случайным образом, как пьяный, бредущий домой. Но квантовая когерентность позволила бы энергии одновременно тестировать все возможные пути, прежде чем выбрать самый быстрый».
В этом исследовании ученые использовали метод рентгеновской кристаллографии, чтобы изучить кристаллическую структуру светособирающих комплексов трех видов криптофитов. Исследователи обнаружили, что генетическая мутация у двух видов привела к появлению дополнительной аминокислоты, которая изменила структуру белкового комплекса и в конечном итоге нарушила его целостность.
Это показало, что криптофиты выработали мощный генетический механизм, позволяющий регулировать когерентность, а также изменять механизм улавливания света.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.