Функция водорослей этого квантового эффекта, известного как когерентность, остается загадкой, но считается, что он может помочь им гораздо более эффективно собирать энергию солнца. Выявление его роли в живом организме может привести к технологическим достижениям, таким как создание более совершенных органических солнечных батарей и квантовых электронных устройств.Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Это часть развивающейся области, называемой квантовой биологией, в которой растет количество доказательств того, что квантовые явления действуют в природе, а не только в лаборатории, и могут даже объяснять, как птицы могут перемещаться с помощью магнитного поля Земли.«Мы изучали крошечные одноклеточные водоросли, называемые криптофитами, которые процветают на дне водоемов или под толстым льдом, где до них доходит очень мало света», — говорит старший автор, профессор Пол Курми из Школы физики UNSW.
«У большинства криптофитов есть светособирающая система, в которой присутствует квантовая когерентность. Но мы обнаружили класс криптофитов, где она отключена из-за генетической мутации, которая изменяет форму светособирающего белка.«Это очень захватывающая находка.
Это означает, что мы сможем раскрыть роль квантовой когерентности в фотосинтезе, сравнивая организмы с двумя разными типами белков».В странном мире квантовой физики когерентная система, в которой все квантовые волны синхронизированы друг с другом, может существовать одновременно во многих различных состояниях, и этот эффект известен как суперпозиция. Это явление обычно наблюдается только в строго контролируемых лабораторных условиях.
Таким образом, команда, в которую входит профессор Грегори Скоулз из Университета Торонто в Канаде, была удивлена, обнаружив в 2010 году, что передача энергии между молекулами в системах сбора света от двух разных видов криптофитов была согласованной.Такой же эффект был обнаружен у зеленых серных бактерий, которые также выживают при очень слабом освещении.«Предполагается, что это может повысить эффективность фотосинтеза, позволяя водорослям и бактериям существовать практически без света», — говорит профессор Курми.
«Как только светособирающий белок захватил солнечный свет, ему необходимо как можно быстрее доставить эту захваченную энергию в реакционный центр в клетке, где энергия преобразуется в химическую энергию для организма.«Предполагалось, что энергия попадает в реакционный центр случайным образом, как пьяный, пошатываясь, домой. Но квантовая когерентность позволит энергии проверить все возможные пути одновременно, прежде чем отправиться по самому быстрому маршруту».
В новом исследовании команда использовала рентгеновскую кристаллографию для определения кристаллической структуры светособирающих комплексов трех разных видов криптофитов.Они обнаружили, что у двух видов генетическая мутация привела к вставке дополнительной аминокислоты, которая изменяет структуру белкового комплекса, нарушая согласованность.«Это показывает, что криптофиты развили элегантный, но мощный генетический переключатель для контроля согласованности и изменения механизмов, используемых для сбора света», — говорит профессор Курми.
Следующим шагом будет сравнение биологии разных криптофитов, например, населяют ли они разные экологические ниши, чтобы выяснить, помогает ли эффект квантовой когерентности их выживанию.