Запах тайн природы

Сочетание квантовой механики и биологии дает удивительные результаты. Оказывается, заимствованные из физики интерпретации могут объяснять тайны природы, в том числе и величайшие из них, такие как фотосинтез.

он известен странными явлениями и экстраординарными эффектами. Возьмем, к примеру, суперпозицию, при которой частица может находиться сразу в двух местах и ​​одновременно существовать в двух разных состояниях — как частица и волна. Или квантовое туннелированиев котором частица может проходить сквозь твердое тело подобно призраку. Нельзя не упомянуть тот факт, что две частицы образуют таинственную связь, которая проявляется сразу же, независимо от того, находятся ли они в сантиметрах друг от друга или в тысяче световых лет. В последнее время, применяя знания об этих явлениях к биологии, мы начинаем открывать величайшие и древнейшие тайны науки. Это помогает нам, например, узнать секреты миграции птиц и, может быть, даже принципы обоняния.

Фотосинтез и экситоны

С XNUMX-х годов ученые подозревали об этом квантовые явления стоят за фотосинтезом. В 2007 году группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США представила первые доказательства того, что это так.

В процессах фотосинтеза растения (1) поглощают фотоны света с помощью клеток, называемых хромофорамXNUMX. Те, в свою очередь, при возбуждении испускают квазичастицы, называемые экситонами, которые переносят энергию в реакционную среду. Здесь она может быть преобразована в химическую энергию, которую растение способно метаболизировать. Весь процесс происходит за одну миллиардную долю секунды с практически стопроцентной эффективностью. Скорость необходима, чтобы избежать потери энергии и рассеяния в виде тепла.

Руководитель группы Грег Энгель и его коллеги показали, что вместо того, чтобы двигаться в ту или иную сторону, энергетическое возбуждение использует суперпозицию. Ученые использовали серобактерии в своих экспериментах. Это один из первых организмов, который начал фотосинтез, и существует уже более миллиарда лет.

Ученые понизили температуру бактерий до 77 кельвинов (-196ºC). Затем они отправили короткие импульсы лазерного света через тело бактерий. Они отследили их с помощью двумерной электронной спектроскопии. Они хотели точно знать, как туда течет энергия. Они заметили, что импульс распространяется не по прямой линии, а в виде волн. Благодаря явлению квантовой когерентности экситон может, как волна, «обнаружить» все возможные пути, найти наиболее эффективный и выбрать его. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature.

После этих открытий был проведен ряд других исследований, показывающих то же самое, а именно то, что явление фотосинтеза работает по принципу квантовой когерентности. Если бы мы могли имитировать эту созданную природой систему, мы могли бы создать батареи с непревзойденным сроком службы. Открытие квантовой природы этих явлений приближает нас к этому.

Таемнице вниз

Еще одна область, в которой связаны квантовые и биологические явления, — это закономерности миграции, закодированные в организмах птиц. Давно известно, что животные используют внутренние, химический компаскоторый взаимодействует с магнитным полем Земли. Дело в том, что это поле относительно слабое. Так как же птицы обнаруживают их?

В одном исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи из Оксфордского университета рассмотрели скромная малиновка (2), который пролетает тысячи километров из Северной Европы в Северную Африку, когда наступают морозы. Они обнаружили, что когда он попадает на сетчатку глаза птицы, он высвобождает два неспаренных электрона. Вращение каждого из них реагирует на магнитное поле Земли. Физик Саймон Бенджамин из Оксфордского университета еще в 2008 году доказали, что это химически возможно. Он считает, что это работает из-за квантовой запутанности. Помимо птиц, таким образом могут ориентироваться насекомые и другие организмы.

Еще одним перспективным направлением квантовой биологии является исследование органов чувств. Например, люди могут различать тысячи различных запахов. Ученые давно пытались понять, как именно обоняние функционально. Мы знаем, что она начинается с того, что молекулы вещества попадают в ноздри из воздуха. Как они взаимодействуют с рецепторами внутри носа и как этот механизм отличает одно вещество от другого? Мы не знаем до конца.

Чемик Лука Турин, биофизик из института Александра Флеминга BSRC в Греции, считает, что это происходит так, что электрон в молекуле аромата попадает на другую сторону рецептора, используя квантовое туннелирование. При этом он посылает сигнал в мозг, сообщая, что это за молекула.

В одном из экспериментов химик обнаружил, что две радикально разные молекулы соединений, например боран i Сиаркапахло так же на ощупь. Хотя они различаются по форме, то, что заставляет их пахнуть тухлыми яйцами, по его мнению, может быть связано с одинаковой энергией, содержащейся в их химических связях. Однако требуется гораздо больше исследований, чтобы доказать, что запах на самом деле производится на субатомном уровне.

Обнаружение сокровенной основы явлений, которые мы до сих пор описывали на уровне биологии и химии, может дать нам очень многое, не только тогда, когда мы хотим подражать природе с помощью техники.