Квантовая когерентность в фотосинтезе: физические основы и биофизические аспекты
В процессе фотосинтеза поглощение света осуществляется специализированными молекулярными ансамблями, называемыми антенными комплексами. Фотоны возбуждают электроны в хлорофилле, создавая возбуждённые состояния (экситоны), которые затем передаются к реакционному центру. До недавнего времени передача энергии считалась исключительно инкогерентным процессом, описываемым стохастической кинетикой Фёрстеровского переноса.
Однако в 2007 году серия экспериментов с использованием двумерной фемтосекундной спектроскопии выявила наличие когерентных колебаний в передаче энергии между пигментами. Эти колебания имеют квантовую природу: экситон может находиться в суперпозиции состояний, что повышает эффективность переноса энергии.
Квантовая когерентность здесь проявляется в виде согласованного поведения квантовых состояний, позволяющего экситонам «исследовать» несколько энергетических путей одновременно и избирать наиболее эффективный.
Рассмотрим систему из N пигментных молекул, каждая из которых может находиться в основном или возбуждённом состоянии. Динамика системы описывается гамильтонианом вида:
Ĥ = ∑iεi|i⟩⟨i| + ∑i ≠ jJij|i⟩⟨j|
где εi — энергия возбуждения i-й молекулы, а Jij — интеграл перекрытия, описывающий взаимодействие между состояниями i и j. Гамильтониан включает как диагональные элементы (локальные энергии), так и недиагональные (кулоновские связи).
Эволюция состояния описывается уравнением Лиувилля для матрицы плотности ρ(t):
$$ \frac{d\rho}{dt} = -\frac{i}{\hbar} [\hat{H}, \rho] + \mathcal{L}_{\text{diss}}(\rho) $$
где ℒdiss — супероператор, моделирующий декогеренцию, обусловленную взаимодействием с окружающей средой (фононами, молекулами воды, белковым матриксом).
Квантовая когерентность в биологических системах удивительна тем, что она наблюдается при комнатной температуре, в среде, насыщенной шумом и флуктуациями. Это возможно благодаря специфической структуре белков, стабилизирующих энергетический ландшафт и регулирующих время когерентности.
Белковые матрицы, окружающие пигментные молекулы, создают мягкую, но упорядоченную среду, в которой происходит компенсация нежелательных колебаний и шумов. Механизм, называемый энвайронмент-инжинирингом (регулировкой квантовой среды), способен способствовать когерентному переносу путём уменьшения декогеренции или даже за счёт конструктивного взаимодействия с ней.
Таким образом, когерентность в фотосинтетических системах — это результат тонкого баланса между когерентной квантовой эволюцией и окружающим тепловым шумом.
Классическим объектом изучения квантовой когерентности является Fenna–Matthews–Olson (FMO) комплекс зелёных серных бактерий. Он служит промежуточным звеном между антенными комплексами и реакционным центром.
Экспериментально в FMO-комплексе наблюдаются колебательные сигналы в двумерной спектроскопии, длительностью до сотен фемтосекунд. Эти сигналы отражают когерентное поведение экситонных волн, что интерпретируется как свидетельство квантовой суперпозиции и интерференции.
У высших растений аналогичная роль принадлежит комплексу LHCII (Light Harvesting Complex II), но подтверждение когерентных эффектов в нём остаётся предметом дискуссий. Однако некоторые данные указывают на наличие кратковременных когерентных состояний и у этих организмов.
В квантовой биофизике предлагается интерпретация переноса экситона как когерентной навигации по энергетическому ландшафту, где различные пигменты представляют собой энергетические «бассейны». Благодаря квантовой когерентности экситон способен «ощущать» все возможные пути одновременно и переходить на тот, который ведёт к реакционному центру с минимальными потерями энергии и времени.
Такой механизм аналогичен квантовому алгоритму поиска, что вдохновляет развитие квантовых биомиметических систем — искусственных светособирающих устройств, воспроизводящих принципы природы.
Основной проблемой для квантовой когерентности является декогеренция — разрушение суперпозиции под действием окружающей среды. В биологических системах наблюдаются времена когерентности в диапазоне от 300 до 800 фс, что значительно превышает ожидания для комнатных температур.
Это объясняется несколькими факторами:
Когерентность не является просто побочным эффектом, а выполняет функциональную роль. Основные гипотезы:
Изучение когерентных процессов в фотосинтезе стимулирует развитие:
Таким образом, фотосинтез — это не только биохимический процесс, но и квантово-физическая система, функционирующая на грани когерентности и декогеренции, в условиях сложной и шумной среды, с поразительной эффективностью.