Как растения и некоторые бактерии умудряются так эффективно использовать солнечный свет для фотосинтеза, а, а?
Самое сложное там первый этап, когда энергия света, пойманная специальными молекулами-антеннами, передается в реакционный центр. Там-то она уже более-менее понятно преобразуется в химическую энергию.
Работа вот.
Раньше ученые видели, что при очень низких температурах (около -196°C) энергия в фотосинтетических системах может передаваться не просто "перепрыгивая" с молекулы на молекулу, а волнообразно, используя квантовую когерентность. Это как если бы волна шла сразу по нескольким путям. Это всё объясняло.
Кроме одного.
Вопрос был: а происходит ли такое при нормальных, физиологических температурах, когда растения и бактерии выживают и нормально себя чувствуют? Ведь при повышении температуры квантовые эффекты обычно быстро разрушаются из-за теплового шума.
Когда энергия передается когерентно, она может как бы "ощупывать" разные пути синусом перед собой одновременно и выбирать самый быстрый. Проявлением такой когерентности являются квантовые биения — это когда энергия как бы пульсирует или колеблется между разными энергетическими состояниями молекул.
Взяли специальный белковый комплекс Фенна-Мэттьюс-Олсон из зелёных серных бактерий. Это хорошо изученная модель для исследования переноса энергии. В этом комплексе 7 молекул пигментов, которые ловят свет. Использовали очень сложный и быстрый метод, 2D-Фурье-электронную спектроскопию. Светили на образец тремя сверхкороткими лазерными импульсами и смотрели, как система на это реагирует. Это позволило получать энергетические статусы достаточно часто.
Эксперименты проводили при разных температурах, от -196°C до +4°C.
Когерентность нормально работает при комнатной температуре! Ну да, вот такая у них комнатная в странах без центрального отопления.
При +4 показали как эффект длится минимум 300 фемтосекунд.
Белковая шуба, в которую упакованы молекулы хлорофилла, вероятно, играет ключевую роль. Она создает такие условия, что случайные колебания энергии отдельных молекул хлорофилла происходят согласованно. Белок как бы сглаживает тепловой шум.
Это открытие поддерживает теорию квантового транспорта, которому помогает окружение. Суть теории в том, что некоторый уровень шума от окружения (белка) и процессов декогеренции, если он правильно сбалансирован с когерентностью, может даже улучшить эффективность переноса энергии. Когерентность позволяет энергии "прощупать" множество путей одновременно, а затем небольшая дефазировка помогает запереть энергию в нужном месте, чтобы она не вернулась.
Новых солнечных батарей учёные не предложили, но верят, что кто-нибудь займётся. А у них работа. С 2010 года там прикладных сдвигов почти не было (точнее, вошедших в серию реализаций), а вот теоретических очень много.
--
Вступайте в ряды Фурье! Цельсий — зарегистрированный товарный знак энтропии
Самое сложное там первый этап, когда энергия света, пойманная специальными молекулами-антеннами, передается в реакционный центр. Там-то она уже более-менее понятно преобразуется в химическую энергию.
Работа вот.
Раньше ученые видели, что при очень низких температурах (около -196°C) энергия в фотосинтетических системах может передаваться не просто "перепрыгивая" с молекулы на молекулу, а волнообразно, используя квантовую когерентность. Это как если бы волна шла сразу по нескольким путям. Это всё объясняло.
Кроме одного.
Вопрос был: а происходит ли такое при нормальных, физиологических температурах, когда растения и бактерии выживают и нормально себя чувствуют? Ведь при повышении температуры квантовые эффекты обычно быстро разрушаются из-за теплового шума.
Когда энергия передается когерентно, она может как бы "ощупывать" разные пути синусом перед собой одновременно и выбирать самый быстрый. Проявлением такой когерентности являются квантовые биения — это когда энергия как бы пульсирует или колеблется между разными энергетическими состояниями молекул.
Взяли специальный белковый комплекс Фенна-Мэттьюс-Олсон из зелёных серных бактерий. Это хорошо изученная модель для исследования переноса энергии. В этом комплексе 7 молекул пигментов, которые ловят свет. Использовали очень сложный и быстрый метод, 2D-Фурье-электронную спектроскопию. Светили на образец тремя сверхкороткими лазерными импульсами и смотрели, как система на это реагирует. Это позволило получать энергетические статусы достаточно часто.
Эксперименты проводили при разных температурах, от -196°C до +4°C.
Когерентность нормально работает при комнатной температуре! Ну да, вот такая у них комнатная в странах без центрального отопления.
При +4 показали как эффект длится минимум 300 фемтосекунд.
Белковая шуба, в которую упакованы молекулы хлорофилла, вероятно, играет ключевую роль. Она создает такие условия, что случайные колебания энергии отдельных молекул хлорофилла происходят согласованно. Белок как бы сглаживает тепловой шум.
Это открытие поддерживает теорию квантового транспорта, которому помогает окружение. Суть теории в том, что некоторый уровень шума от окружения (белка) и процессов декогеренции, если он правильно сбалансирован с когерентностью, может даже улучшить эффективность переноса энергии. Когерентность позволяет энергии "прощупать" множество путей одновременно, а затем небольшая дефазировка помогает запереть энергию в нужном месте, чтобы она не вернулась.
Новых солнечных батарей учёные не предложили, но верят, что кто-нибудь займётся. А у них работа. С 2010 года там прикладных сдвигов почти не было (точнее, вошедших в серию реализаций), а вот теоретических очень много.
--
Вступайте в ряды Фурье! Цельсий — зарегистрированный товарный знак энтропии