Команда физиков из Университета Райса (Rice University, США) приблизилась к разгадке одной из тайн природы. Оказывается, растения могут использовать квантовые эффекты для мгновенной передачи энергии при фотосинтезе, что объясняет невероятную эффективность этого процесса.
Ученые несколько месяцев создавали подробные компьютерные модели молекулярных структур. Они разработали виртуальную систему, состоящую из донора, поглощающего световую энергию, и акцептора, который ее принимает. Между ними располагалась сложная сеть из двенадцати промежуточных молекул-проводников.
Результаты моделирования превзошли ожидания. Когда энергия распределялась между несколькими молекулами одновременно благодаря квантовой запутанности, ее передача к конечной цели ускорялась на 30-40% по сравнению с обычным механизмом. Система сохраняла устойчивость даже при добавлении внешних помех — тепловых шумов и электромагнитных возмущений.
Профессор Гвидо Пагано, руководитель исследовательской группы, поясняет:
«Это похоже на то, как если бы вместо одного курьера, который пробивается через толпу, мы использовали бы группу связанных между собой людей, способных мгновенно передавать информацию друг другу».
Эксперименты проводились в условиях, максимально приближенных к реальным. Ученые имитировали температуру 25°C, нормальное атмосферное давление, учитывали случайные молекулярные вибрации — все то, что постоянно происходит в живом растении во время фотосинтеза.
Биологи десятилетиями не могли объяснить, почему природные системы демонстрируют такую высокую эффективность преобразования света. Обычные физические законы не давали ответа, почему потери энергии в листьях растений составляют всего 2-3%, тогда как в лучших искусственных солнечных элементах они достигают 25%.
Диего Фальяс Падилла, ведущий автор исследования:
«Мы наблюдаем прямую зависимость между степенью квантовой запутанности и скоростью переноса энергии. Чем сильнее связаны частицы, тем быстрее энергия находит путь к цели».
Практическое применение этого открытия уже тестируют в лабораториях Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology, США). Инженеры создали прототип солнечной батареи, где наноструктуры расположены специальным образом для поддержания квантовой запутанности между соседними элементами. Первые испытания показали увеличение эффективности на 15% по сравнению с традиционными панелями.
Возможные последствия для медицины выглядят еще более впечатляющими. Профессор биохимии Майкл Стерлинг из Гарварда (Harvard University, США):
«Если природа действительно использует квантовые эффекты для переноса энергии, значит, мы можем обнаружить аналогичные механизмы в человеческих клетках. Это полностью меняет наши представления о биоэнергетике».
Научные группы готовятся к более масштабным экспериментам. В ближайших планах — исследование реальных растительных клеток с помощью сверхчувствительных квантовых сенсоров. Если гипотеза подтвердится, это станет одним из важнейших открытий на стыке физики и биологии.
По сути, ученые нашли возможный «секретный компонент» в работе природных энергетических систем. И этот компонент оказался связан с одним из самых загадочных явлений в квантовой физике — мгновенной связью между частицами на расстоянии.
