Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

Рис. 4.5. Молекула хлорофилла

Это двухмерная структура, состоящая из пятиугольных элементов, включающих в основном атомы углерода (серые сферы) и азота (N), с атомом магния (M) в центре, с длинным хвостом из атомов углерода, кислорода (O) и водорода (белые атомы). Внешний электрон магния слабо связан с атомом и может выбиваться в окружающий углеродный каркас при поглощении фотона солнечного света. В результате вместо него остается пустое место и атом получает положительный заряд. Это пустое место, или электронную дырку, можно рассматривать с абстрактной точки зрения как «вещь в себе»: положительно заряженную дырку. Суть в том, что мы расцениваем оставшийся атом магния как нейтральный, пока посредством поглощения фотона создаем систему, состоящую из выбитого отрицательного электрона и оставшейся положительной дырки. Эта бинарная система называется экситоном (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Экситон состоит из электрона, выбитого со своей орбиты, и атома с оставшейся дыркой

Ее можно считать крошечной батареей с положительным и отрицательным полюсами, способной хранить энергию для последующего использования.

Экситоны нестабильны. Электрон и его дыра ощущают воздействие электростатической силы, притягивающей их друг к другу. При их воссоединении солнечная энергия изначального фотона теряется в виде остаточного тепла. Таким образом, если растению необходимо использовать поглощенную солнечную энергию, оно должно очень быстро перенести экситон в производственную часть молекулы, известную как реакционный центр, где происходит процесс под названием «разделение зарядов». Фактически он включает полный отрыв энергетического электрона от атома и перенос его к соседней молекуле, подобно действию ферментов, которое мы наблюдали в прошлой главе. В результате этого процесса образуется более стабильная, чем экситон, химическая батарея (под названием НАДФН), которая используется во всех важных химических реакциях фотосинтеза.

Но реакционные центры обычно располагаются достаточно далеко с молекулярной точки зрения (на расстоянии нанометров) от возбужденных молекул хлорофилла, так что энергия должна переходить от одной молекулы-антенны к другой по хлорофилльному лесу, пока не достигнет реакционного центра. Это возможно благодаря плотно упакованной структуре хлорофилла. Молекулы по соседству с той, которая захватила фотон, также приходят в возбуждение, эффективно принимая энергию от первичного возбужденного электрона и затем перенося ее к собственному электрону атома магния.

Проблема заключается в том, каким путем должна происходить передача энергии. Если она выберет неправильное направление, в случайном порядке перескакивая от одной молекулы к другой в хлорофилльном лесу, энергия будет утрачена и не достигнет реакционного центра. Какой путь она должна выбрать? Путь к цели не должен занимать много времени, чтобы не утратить энергию экситона.

До недавних пор считалось, что перенос энергии от одной молекулы хлорофилла к другой носит случайный характер, в сущности принимая характер стратегии последней надежды, известной как метод случайного блуждания. Иногда это называют «пьяным блужданием», потому что оно напоминает маршрут пьяницы, вышедшего из бара, который блуждает в поисках пути, пока случайно не находит свой дом. Но случайное блуждание — не очень эффективный способ добраться куда-нибудь: если дом пьяного далеко, он может проснуться следующим утром в кустах в другой части города. Объект, участвующий в случайных блужданиях, имеет тенденцию удаляться от точки старта на расстояние, пропорциональное квадратному корню из времени. Если за одну минуту пьяный человек продвинется на один метр, то через четыре минуты он уйдет на два метра, а через девять минут — только на три метра. С таким вялым прогрессом неудивительно, что животные и микробы редко используют случайное блуждание, чтобы найти пищу или добычу, прибегая к этой стратегии только при отсутствии другого выхода. Поместите муравья в незнакомую местность, и, как только он уловит запах, он бросит случайное блуждание и будет следовать за своим носом.

Считалось, что, не имея ни носа, ни навыков навигации, энергия экситона продвигается по хлорофилльному лесу методом пьяницы. Но такая картина не имела особого смысла, так как известно, что первый этап фотосинтеза чрезвычайно эффективен. Фактически перенос энергии захваченного фотона от молекулы-антенны хлорофилла к реакционному центру знаменит свой эффективностью, большей, чем у любой естественной или искусственной реакции: почти 100 %. При оптимальных условиях почти каждая частица энергии, поглощенная молекулой хлорофилла, достигает реакционного центра. Если бы выбранный путь был блуждающим, то почти все они, по крайней мере большинство из них, должны были быть утеряны. Почему эта энергия фотосинтеза находит свой путь к конечной цели намного успешнее, чем пьяница, муравей или наша наиболее энергоэффективная технология? Это остается одной из величайших загадок биологии.

Квантовое биение

Старшим автором научной работы[52], блеснувшим в газетной статье, заставившей журнальный клуб МТИ смеяться от всей квантовой души, был американец Грэм Флеминг. Он родился в Барроу на севере Англии в 1949 году. В настоящее время он возглавляет группу Калифорнийского университета в Беркли, признанную одной из лидирующих исследовательских групп в своей области в мире. Группа использует мощную технологию под впечатляющим названием «электронная спектроскопия с двухмерным преобразованием Фурье» (2D-FTES). 2D-FTES может исследовать внутреннюю структуру и динамику мельчайших молекулярных систем, направляя на них высокофокусные кратковременные лазерные импульсы. Большую часть своей работы группа посвятила изучению не растений, а фотосинтетического комплекса под названием «белок Фенна-Мэтьюз-Ольсон» (FMO), который производится фотосинтезирующими микроорганизмами — зелеными серобактериями, живущими в глубинах богатых серой водоемов, таких как Черное море. Чтобы исследовать образец хлорофилла, ученые направили три импульса лазерного света на фотосинтетические комплексы. Эти импульсы хранят свою энергию в виде очень быстрых и точно рассчитанных вспышек и генерируют световой сигнал от образца, который регистрируется датчиками.

Грег Энджел, главный автор статьи, провел целую ночь, сопоставляя данные, полученные от сигналов длительностью от 50 до 600 фемтосекунд[53], чтобы получить итоговый результат. Он получил возрастающий и уменьшающийся сигнал, который колебался в течение как минимум 600 фемтосекунд (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Квантовые биения, наблюдавшиеся Грэмом Флемингом и его коллегами в опыте 2007 года. С научной точки зрения важна не неправильная форма колебаний, а сам факт наличия колебаний

Колебания были похожи на картину интерференции светлых и темных полос в опыте с двумя щелями, или квантовый эквивалент пульсирующих звуковых биений, слышных во время настройки музыкального инструмента. Подобное квантовое биение показало, что экситон не следовал одному пути через лабиринт хлорофилла, а использовал несколько путей одновременно (рис. 4.8). Эти альтернативные пути несколько напоминают ноты почти настроенной гитары: они генерируют биения, когда их длина почти одинакова.

Рис. 4.8. Экситон, продвигающийся по комплексу FMO, выбирая несколько альтернативных путей одновременно

Но не стоит забывать, что такая квантовая когерентность очень хрупка и чрезвычайно трудно сохраняется. Возможно ли, что микроорганизм или растение способны прилагать героические усилия ярчайших и лучших исследователей квантовых компьютеров МТИ, чтобы отсрочить декогерентность? В своей статье Флеминг сделал действительно смелое заявление, и это было «квантовое жульничество», как это назвал Сет Ллойд, которое возмутило журнальный клуб МТИ. Группа Беркли предполагала, что комплекс FMO действует как квантовый компьютер, чтобы найти кратчайший путь к реакционному центру, бросая вызов проблеме оптимизации, подобно знаменитой задаче путешествующих моряков в математике, которую с маршрутами, имеющими несколько назначений, может решить только очень мощный компьютер[54].

Несмотря на скептицизм, журнальный клуб поставил Сету Ллойду задачу исследования заявления. Ко всеобщему удивлению МТИ, в ходе своего научного расследования Ллойд пришел к заключению, что заявление группы из Калифорнийского университета имеет основание. Биения, которые обнаружила группа Флеминга в комплексе FMO, были действительно записью квантовой когерентности, и Ллойд пришел к заключению, что молекулы хлорофилла руководствуются новейшей стратегией поиска, известной как квантовое блуждание.