[Перевод] Квантовый эксперимент показал, почему эффективность фотосинтеза близка к 100%
«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.
На этой фотографии изображены хлоропласты в растительных клетках организма Plagiomnium affine. С точки зрения передачи поглощённой энергии солнечного света в реакционные центры фотосинтеза, где образуются сахара, этот транспорт энергии работает почти со 100-процентной эффективностью, что является аномалией среди почти всех биологических процессов.
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.
В NIF всенаправленные мощные лазеры нагревают гранулу материала до условий, достаточных для начала ядерного синтеза. В NIF могут создавать температуры, превышающие даже температуру центра Солнца, и в конце 2022 года впервые была пройдена точка безубыточности с точки зрения энергии лазера, падающей на водородную мишень, по отношению к энергии, высвобождаемой в результате запущенных термоядерных реакций.
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.
На этом графике показана эффективность поглощения света молекулой хлорофилла a, которая в основном достигает максимума в районе особенно синего (430 нм) и особенно красного (662 нм) диапазонов длин волн. Перенос энергии от поглощения до реакционного центра фотосинтеза происходит почти со 100-процентной эффективностью, что является загадкой для многих биологов.
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?
Разнообразие энергетических уровней и правила выбора для переходов электронов в атоме железа. Хотя многими квантовыми системами можно управлять, чтобы добиться чрезвычайно энергоэффективных переходов, биологических систем, работающих подобным образом, не существует.
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.
На этой подробной иллюстрации показана молекулярная структура молекулы светособирающего комплекса 2 (LH2) — важной молекулы для переноса энергии падающих фотонов к реакционному центру фотосинтеза. Эти белки-антенны переносят энергию очень эффективно — и этот феномен трудно объяснить.
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.
На этом снимке изображена колония пурпурной (несерной) бактерии Rhodospirillum — примера фотосинтезирующей бактерии, содержащей только хлорофилл a.
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.
На этой диаграмме показаны плотности поверхностных зарядов (слева) и структурная организация (справа) белковых структур молекул светособирающего комплекса 2 и 3 (сверху и снизу), используемых в качестве белков-антенн в фотосинтезе.
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.
На этом графике показана зависимость времени передачи фотонов от одного белка-антенны (LH2 или LH3) к другому в зависимости от расстояния между ними. Эксперимент, проведённый на трёх ключевых расстояниях, хорошо согласуется с предсказаниями базовой (квантовой) теории.
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 антенные белки LH2 и LH3, используемые в фотосинтезе, были расположены и ориентированы регулярно, то есть имели бы какую-то упорядоченную организацию, быстрый и эффективный транспорт энергии света к фотосинтетическому реакционному центру был бы невозможен. Только потому, что беспорядок является
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.
