|
Роль квантовой механики в фотосинтезе
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Chemical Science, исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM) раскрыли удивительную роль квантовой механики в фотосинтезе, которая может изменить наше понимание передачи энергии растениями.
|
|
|
|
Их результаты, подкрепленные передовыми технологиями и теоретическими моделями, раскрывают решающую роль мимолетного энергетического состояния молекул хлорофилла, открывая захватывающие возможности для биоэнергетических решений.
|
|
|
|
“Например, когда свет поглощается листом, энергия электронного возбуждения распределяется по нескольким состояниям каждой возбужденной молекулы хлорофилла; это называется суперпозицией возбужденных состояний”, - пояснил соавтор исследования и профессор TUM доктор Юрген Хауэ в пресс-релизе. “Это первый этап передачи энергии внутри молекул и между ними практически без потерь, который делает возможной эффективную транспортировку солнечной энергии в дальнейшем”.
|
|
|
|
“Таким образом, квантовая механика играет центральную роль в понимании первых этапов передачи энергии и разделения зарядов”.
|
|
|
|
Фотосинтез уже давно считается высокоэффективным процессом, при котором растения, водоросли и бактерии преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Центральное место в этом процессе занимает хлорофилл, зеленый пигмент, отвечающий за поглощение света.
|
|
|
|
|
|
|
Традиционные модели передачи энергии в хлорофилле основаны на простой последовательности путей высвобождения энергии. Однако это новое исследование показывает, что энергетическая динамика гораздо сложнее, чем считалось ранее, и включает квантовые взаимодействия, которые могут объяснить почти идеальную эффективность использования энергии в природе.
|
|
|
|
Предыдущие исследования показали, что фотосинтез может быть связан с таинственным и неопознанным пятым состоянием материи.
|
|
|
|
Однако, используя передовые методы поляризационной спектроскопии и квантово-динамического моделирования, исследователи переосмыслили роль квантовой механики и состояния Qx в хлорофилле а, которое ранее упускалось из виду из-за его исключительно недолговечной природы.
|
|
|
|
Их результаты показывают, что Qx действует как важнейший посредник в передаче энергии, существуя менее 30 фемтосекунд — меньше, чем экспериментальное временное разрешение, — прежде чем перевести энергию в состояние Qy, которое в конечном итоге направляет энергию к реакционному центру фотосинтеза.
|
|
|
|
В течение многих лет ученые спорили о точном механизме переноса хлорофиллом поглощенной световой энергии. Традиционная точка зрения предполагала наличие прямого пути между состояниями B и Q. Однако это исследование ставит под сомнение эту точку зрения, демонстрируя, что состояние Qx играет важную роль связующего звена между этими состояниями.
|
|
|
|
В экспериментах, проведенных в TUM, использовалась спектроскопия сверхбыстрого переходного поглощения для наблюдения за тем, как энергия проходит через молекулы хлорофилла. Полученные результаты показывают, что Qx способствует почти мгновенному переходу энергии, а не является незначительным состоянием, помогая оптимизировать передачу энергии и снижая потери. Это открытие может иметь серьезные последствия для искусственного фотосинтеза и технологий использования солнечной энергии.
|
|
|
|
Одним из наиболее интригующих аспектов исследования является роль квантовой когерентности в передаче энергии фотосинтеза. Квантовая когерентность означает одновременное существование множества квантовых состояний, позволяющих энергии эффективно протекать через систему.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что вибронная связь — взаимодействие между электронным и колебательным состояниями — играет ключевую роль в обеспечении быстрого и эффективного направления энергии внутри молекулы хлорофилла.
|
|
|
|
Исследователи надеются разработать новые материалы и системы, которые будут соответствовать этой эффективности, для решений в области устойчивой энергетики. Например, искусственный фотосинтез, область, посвященная воспроизведению природных процессов для получения чистой энергии, может извлечь огромную пользу из этих открытий.
|
|
|
|
Современные системы искусственного фотосинтеза часто сталкиваются с недостатками, которые ограничивают их практическое применение. Используя недавно понятую роль Qx и квантовой когерентности в искусственных конструкциях, ученые могли бы разрабатывать более эффективные солнечные батареи и технологии использования возобновляемых источников энергии.
|
|
|
|
Исследование также дает представление об оптимизации систем сбора света водорослями и бактериями, которые могут быть использованы для производства биотоплива. Если ученые смогут разработать аналоги хлорофилла с улучшенными свойствами переноса энергии, будущее устойчивой энергетики может быть значительно улучшено.
|
|
|
|
Это исследование открывает возможности для дальнейшего изучения квантовых эффектов в биологических системах. Будущие исследования будут направлены на совершенствование теоретических моделей и экспериментальных методов, чтобы выяснить, имеют ли другие системы сбора света схожие механизмы. Кроме того, применение этих принципов к практическим энергетическим технологиям остается ключевой целью физиков, химиков и материаловедов.
|
|
|
|
Этот прорыв в понимании фотосинтеза на квантовом уровне знаменует собой значительный шаг к открытию новых, вдохновленных природой энергетических решений. Поскольку ученые продолжают исследовать пересечение квантовой механики и биологии, потенциал революционных достижений в области возобновляемых источников энергии может оказаться огромным.
|
|
|
|
В конечном счете, раскрывая мимолетную, но важную роль состояния Qx в передаче энергии фотосинтеза, это исследование бросает вызов давним предположениям и предлагает новые пути для инноваций.
|
|
|
|
Квантовая механика, лежащая в основе фотосинтеза, может привести к созданию следующего поколения технологий устойчивой энергетики. Эти открытия также подчеркивают глубокое влияние квантового мира на биологические системы и естественную вселенную.
|
|
|
|
Источник
|
