«Святой Грааль» любой физической системы — это 100% КПД. В большинстве условий это практически невыполнимая задача, поскольку с момента передачи любой формы энергии в систему она неизбежно теряется под воздействием различных факторов – переноса тепла, столкновений, химических реакций и т. д., — прежде чем выполнить конечную задачу, для которой она была создана. Единственный способ, с помощью которого физикам удалось создать системы с практически идеальной эффективностью, — это довести природу до граничных условий:
-
охладить до температур, близких к абсолютному нулю,
-
обстрелять монохроматическими (лазерными) фотонами (кристаллические) системы с поглощающими решётками,
-
или довести до таких экстремальных условий, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Но природа подарила нам удивительное исключение из этого правила: растения. Скромное растение, как и другие, более примитивные фотосинтезирующие организмы (например, некоторые виды бактерий и протистов), поглощает часть солнечного света с определёнными (синими и красными) длинами волн, чтобы преобразовать эту световую (фотонную) энергию в сахар в ходе сложного процесса фотосинтеза. Однако каким-то образом, несмотря на то, что ни одно из вышеперечисленных физических условий не соблюдается, почти 100 % поглощённой энергии преобразуется в энергию электронов, которые затем создают эти сахара в процессе фотосинтеза. Всё то время, что нам был знаком основной химический путь фотосинтеза, такая эффективность оставалась для нас загадкой. Но благодаря совместной работе квантовой физики, химии и биологии мы наконец-то можем получить ответ, и ключом к нему является биологический беспорядок.
Очень важно, когда учёный говорит об «эффективности», понимать, что существует два разных определения, в зависимости от того, какой учёный об этом говорит.
-
Эффективность может означать изучение общего количества энергии, получаемой в результате реакции, как доли от общего количества энергии, введённой в систему. Это определение обычно используется при рассмотрении общей эффективности всей системы в целом.
-
Или же эффективность может означать рассмотрение одной изолированной части системы: часть введённой энергии, которая участвует в рассматриваемой реакции, и какая доля этой энергии либо используется, либо высвобождается из этой реакции. Это определение чаще всего используется при рассмотрении одного компонента сквозного взаимодействия.
Разницу между первым и вторым определением можно осознать по тому факту, что два разных физика, глядя на прошлогодний грандиозный прорыв в области термоядерной энергии в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США (NIF), могут сделать заявления, которые кажутся противоречивыми: что мы одновременно преодолели точку безубыточности для термоядерной энергии и что ядерный синтез по-прежнему потребляет в 130 раз больше энергии, чем производит. Первое верно, если рассматривать энергию, падающую на гранулу водорода, в сравнении с энергией, высвобождающейся в результате реакции, а второе верно, если рассматривать весь аппарат в целом, включая неэффективную зарядку конденсаторных батарей.
Правда, с точки зрения целостного восприятия, растения менее эффективны, чем даже солнечные батареи, которые могут преобразовать в электрическую энергию около 15-20 % всей падающей солнечной энергии. Хлорофилл, содержащийся в растениях, в частности молекула хлорофилла а, способен поглощать и использовать солнечный свет только в двух узких диапазонах длин волн: синий свет, пик которого приходится на длину волны около 430 нанометров, и красный свет, пик которого приходится на длину волны около 662 нанометров. Хлорофилл a — это молекула, которая делает возможным фотосинтез, и содержится во всех фотосинтезирующих организмах: растениях, водорослях и цианобактериях. (Хлорофилл b, другая поглощающая свет и способствующая фотосинтезу молекула, встречающаяся только в некоторых фотосинтезирующих организмах, имеет другой набор пиков длины волны).
Если рассматривать весь падающий на растение солнечный свет вместе взятый, то количество излучения, которое может быть преобразовано в полезную для растения энергию, составляет всего несколько процентов от общей энергии солнечного света, попадающего на растение; в этом строгом смысле фотосинтез не особенно эффективен. Но если мы ограничимся рассмотрением только отдельных фотонов, способных возбудить молекулу хлорофилла a, — фотонов, находящихся на двух пиках поглощения хлорофилла a или вблизи них, — то эффективность фотонов красной длины волны составит около 80%, а фотонов синей длины волны — более 95%, и это близко к идеальному 100-процентному КПД.
Именно здесь и возникает большая загадка. Давайте пройдёмся по всем этапам.
-
Свет, поглощаемый молекулой хлорофилла, не монохроматический, а состоит из отдельных фотонов, обладающих довольно широким диапазоном энергий.
-
Эти фотоны возбуждают электроны внутри молекулы хлорофилла, а затем, когда электроны перестают возбуждаться, они испускают фотоны: опять же, в широком диапазоне энергий.
-
Затем эти фотоны поглощаются целым рядом белков, где они возбуждают электроны внутри белка, после чего электроны спонтанно гаснут, снова испуская фотоны, и так до тех пор, пока эти фотоны не попадают в так называемый реакционный центр фотосинтеза.
-
Затем, когда фотон попадает в реакционный центр фотосинтеза, клетки преобразуют энергию фотона в энергию электрона, и эти энергичные электроны используются в процессе фотосинтеза, который в конечном итоге приводит к производству молекул сахара.
Таков общий обзор пути фотосинтеза — от соответствующих падающих фотонов до энергичных электронов, которые в итоге образуют сахар.
Загадка во всём этом заключается в том, почему из всех фотонов, поглощённых на первом этапе, почти 100%, образуют возбуждённые электроны на последнем этапе?
В большинстве лабораторных условий, если вы хотите сделать передачу энергии на 100% эффективной, вам придётся специально готовить квантовую систему особым образом. Вы должны обеспечить равномерность падающей энергии: каждый фотон должен обладать одинаковой энергией и длиной волны, а также направлением и импульсом. Необходимо обеспечить наличие поглощающей системы, которая не будет рассеивать падающую энергию: что-то вроде кристаллической решётки, где все внутренние компоненты регулярно расположены и упорядочены. Также необходимо создать условия, максимально приближённые к условиям «без потерь», когда энергия не теряется из-за внутренних колебаний или вращений частиц, например, из-за распространения возбуждений, т.н. фононов.
Но в процессе фотосинтеза подобных условий нет. Поступающее к растениям излучение — обычный белый солнечный свет, состоящий из широкого спектра длин волн, в котором нет двух фотонов с абсолютно одинаковыми энергией и импульсом. Поглощающая система никак не упорядочена, поскольку расстояния между различными молекулами не фиксированы в виде решётки, а сильно варьируются: в масштабах нескольких нанометров даже между соседними молекулами. И все эти молекулы могут свободно вибрировать и вращаться; нет никаких особых условий, препятствующих этим движениям.
Поэтому новое исследование, опубликованное в начале июля 2023 года в журнале Proceedings of the National Academies of Science выглядит так интересно. Учёные начали с одного из самых простых известных примеров фотосинтеза во всей природе: вида фотосинтезирующих бактерий, известных как пурпурные бактерии (в отличие от сине-зелёных цианобактерий) — одного из самых древних, простых и при этом наиболее эффективных известных примеров организмов, которые подвергаются фотосинтезу. Фиолетовый цвет бактериям придаёт отсутствие хлорофилла b.
Ключевой этап, который исследователи пытались выделить и изучить, происходил после первоначального поглощения фотона, но до того, как последний переизлученный фотон попадал в реакционный центр фотосинтеза, поскольку эти ранний и последний этапы уже хорошо изучены. Но чтобы понять, почему этот процесс протекает без потерь энергии, необходимо определить количественные параметры этих промежуточных этапов. В этом и заключается сложность данной проблемы, и именно поэтому имеет смысл выбрать для изучения такую простую, древнюю и одновременно эффективную бактериальную систему.
Исследователи подошли к проблеме так: попытались определить и понять, как энергия передаётся между этими рядами белков (т.н. белками-антеннами), чтобы достичь реакционного центра фотосинтеза. Важно помнить, что, в отличие от большинства физических лабораторных систем, в биологических системах нет «организации» сети белков; они расположены и отстоят друг от друга неравномерно, что называется гетерогенным образом, когда все расстояния между белками разные.
Основной белок-антенна у пурпурных бактерий известен как LH2 — светособирающий комплекс 2. В то время как у пурпурных бактерий белок, известный как LH1 (светособирающий комплекс 1), плотно связан с реакционным центром фотосинтеза, LH2 распределён в других местах, и его биологическая функция заключается в сборе и направлении энергии к реакционному центру. Чтобы провести прямые эксперименты с этими белками-антеннами LH2, два отдельных варианта белка (обычный LH2 и вариант с низким уровнем освещённости, известный как LH3) встроили в небольшой диск, похожий, но немного отличающийся от естественной мембраны, в которой эти светособирающие белки находятся в естественных условиях. Такие диски с мембранами, сходные с естественными, называются нанодисками. Варьируя размер нанодисков, использованных в экспериментах, исследователи смогли пронаблюдать, как происходит передача энергии между белками на различных расстояниях.
Исследователи обнаружили, что при изменении размеров дисков — от 25, 28 и 31 ангстрема — временной интервал межбелкового переноса энергии быстро увеличивался: от минимума в 5,7 пикосекунды до максимума в 14 пикосекунд. Объединив эти экспериментальные результаты с моделированием, которое лучше представляет реальную физическую среду, существующую внутри пурпурных бактерий, учёные смогли показать, что наличие этих этапов, которые быстро передают энергию между соседними белками антенны, может значительно повысить эффективность и расстояние, на которое может быть перенесена энергия.
Другими словами, именно эти парные взаимодействия между близко расположенными белками LH2 (и LH3), вероятно, служат ключевым посредником при переносе энергии: с момента поглощения первого фотона солнечного света и до того, как эта энергия попадает в реакционный центр фотосинтеза. Ключевой вывод этого исследования, который, несомненно, удивит многих, заключается в том, что эти светособирающие белки могут очень эффективно переносить энергию на большие расстояния только из-за неравномерного и неупорядоченного расположения белков внутри самих пурпурных бактерий. Если бы расположение было регулярным, периодическим или организованным обычным образом, такой высокоэффективный перенос энергии на большие расстояния не мог бы происходить.
И вот что на самом деле обнаружили исследователи в ходе своих изысканий. Если белки были расположены в виде периодической решётки, то передача энергии была менее эффективной, чем когда белки расположены в «случайном порядке» – практически именно так, как белки обычно располагаются в живых клетках. По словам старшего автора последнего исследования, профессора Массачусетского технологического института Габриэлы Шлау-Коэн:
«Когда фотон поглощается, у вас есть только некоторое время, прежде чем эта энергия будет потеряна в результате нежелательных процессов, таких как нерадиационный распад, поэтому чем быстрее она может быть преобразована, тем эффективнее она будет… Упорядоченная организация на самом деле менее эффективна, чем неупорядоченная организация в биологии, что нам кажется действительно интересным, потому что биология имеет тенденцию быть неупорядоченной. Этот вывод говорит нам о том, что [неупорядоченность систем] может быть не просто неизбежным недостатком биологии — организмы могли эволюционировать, чтобы воспользоваться этим».
Другими словами, то, что мы обычно считаем «ошибкой» биологии — то, что биологические системы по своей природе неупорядочены по многим параметрам, — на самом деле может быть ключом к тому, как фотосинтез вообще происходит в природе.
Если бы эти белки-антенны были расположены особенно упорядоченно, как с точки зрения расстояния друг от друга, так и с точки зрения их ориентации относительно друг друга, перенос энергии был бы более медленным и неэффективным. Вместо этого, в силу того, как устроена природа, эти белки находятся на различных неупорядоченных расстояниях и в случайной ориентации по отношению друг к другу, что позволяет быстро и эффективно передавать энергию к реакционному центру фотосинтеза. Это ключевое открытие, полученное в результате сочетания экспериментов, теории и моделирования, наконец-то указало путь к тому, как происходит сверхбыстрая и сверхэффективная передача энергии солнечного света, доставляя её непосредственно в реакционный центр фотосинтеза.
Обычно мы считаем, что квантовая физика имеет отношение только к простейшим системам: отдельным квантовым частицам, электронам и фотонам, которые взаимодействуют между собой. Однако на самом деле она лежит в основе объяснения всех негравитационных явлений в нашем макроскопическом мире: от того, как частицы связываются вместе, образуя атомы, и как атомы соединяются, образуя молекулы, до химических реакций, происходящих между атомами и молекулами, и как фотоны поглощаются и испускаются этими атомами и молекулами. В процессе фотосинтеза, объединив наши знания в области биологии, химии и квантовой физики, мы наконец-то раскрыли тайну того, как происходит один из самых энергоэффективных процессов во всей науке о жизни.
