Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Принципы работы и ограничения возможностей тепловых машин, описанные Карно, настолько универсальны, что могут быть применимы к описанию, например, размещенных на крышах некоторых зданий фотоэлементов, которые улавливают энергию света и превращают ее в электроэнергию. Те же принципы подходят и к описанию действия биологических фотоэлементов, заключенных в хлоропласты, содержащиеся в листьях растений (мы уже говорили о них в этой книге). Подобная квантовая тепловая машина выполняет работу, схожую с работой классической тепловой машины, с той лишь разницей, что пар здесь уступает место электронам, а источник теплоты — фотонам света. Сначала электроны поглощают фотоны и получают энергию. Они могут отдать эту энергию, если требуется, на проведение полезной химической работы. Данная идея была сформулирована в одной из работ Альберта Эйнштейна, а гораздо позднее легла в основу разработки лазера. Проблема заключается в том, что большое количество электронов, захвативших фотоны, растрачивают энергию и теряют теплоту еще до того, как успевают применить ее с пользой. Таким образом, у квантовой тепловой машины также есть предел КПД.

Как вы помните, в фотосинтетических комплексах конечным пунктом назначения движущихся и колеблющихся экситонов является реакционный центр. До сих пор мы уделяли внимание только процессу переноса энергии, однако сам акт фотосинтеза происходит внутри реакционного центра. Именно здесь хрупкая энергия экситонов превращается в устойчивую химическую энергию молекулы белка — переносчика электронов. Эту энергию растения и бактерии используют для выполнения полезной работы, в частности для создания новых растений и бактерий.

Происходящее в реакционном центре не менее удивительно, чем стадия перемещения экситона. Во всяком случае, таинственности здесь явно больше. Окисление представляет собой химический процесс, в ходе которого происходит отдача электронов одними атомами другим. Бывает, что электроны быстро и легко передаются одним атомом (который становится окисленным) другому (окислителю). Однако в некоторых случаях (например, при сжигании угля, древесины или любого углеродного вида топлива) электроны, которые изначально относятся к одному атому, становятся общими для нескольких атомов (в данном случае донор электрона все равно теряет электрон, когда делится им, подобно тому как вы лишаетесь шоколадки, если делитесь ею). Так, если на воздухе горит углерод, его атомы делятся электронами, находящимися на внешних орбитах, с атомами кислорода. Эти электроны образуют молекулярные связи углекислого газа. В реакциях горения внешние электроны атомов углерода являются относительно слабо связанными, поэтому атомы отпускают их сравнительно легко. Однако в фотосинтетическом реакционном центре растения или бактерии необходима энергия, чтобы выдернуть электроны из молекул воды, в которых электроны связаны гораздо прочнее. Фактически происходит распад двух молекул воды H 2O с образованием одной молекулы O 2, четырех положительно заряженных ионов водорода и четырех электронов. Итак, поскольку молекулы воды теряют электроны, можно сказать, что реакционный центр фотосинтеза — это единственное место в природе, где возможно окисление воды.

В 2011 году американский физик Марлан Скалли, в настоящее время профессор одновременно Техасского университета A & M и Принстона, совместно с коллегами из нескольких университетов США предложил интересный способ спроектировать гипотетическую квантовую тепловую машину таким образом, что предел КПД стандартной квантовой тепловой машины будет значительно превышен [184] Scully M. O., Chapin K. R., Dorfman K. E., Kim M. B. and Svidzinsky A. Quantum heat engine power can be increased by noise-induced coherence // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. — Vol. 108: 37. . Для достижения такого результата необходимо использовать способность молекулярного шума ввести электрон в суперпозицию, когда он пребывает одновременно в двух энергетических состояниях. Когда такой электрон поглощает энергию фотона и переходит в возбужденное состояние, он продолжает сохранять суперпозицию двух энергий (энергии теперь становится больше). В этом случае вероятность того, что электрон вернется в свое изначальное состояние и потеряет энергию в виде растраченной теплоты, снижается благодаря квантовой когерентности его энергетических состояний, что напоминает пример с рисунком интерференции в эксперименте с двумя щелями, который мы описывали в главе 4. Как вы помните, некоторые положения на заднем экране, доступные атомам при одной открытой щели, становятся недоступными вследствие деструктивной интерференции при двух открытых щелях. В случае с нашим электроном аккуратное взаимодействие молекулярного шума и квантовой когерентности настраивает квантовую паровую машину так, чтобы снизить неэффективные растраты тепловой энергии и, следовательно, повысить квантовый предел Карно.

Но возможны ли такие тонкие настройки на квантовом уровне? Для этого нам придется проектировать и контролировать количество энергии и положение отдельных электронов, точно рассчитывать интерференцию, чтобы ускорить передачу энергии по продуктивным маршрутам и не допустить ее растрат. Придется также настраивать в квантовой среде молекулярный белый шум таким образом, чтобы возвращать в общий ритм выбившиеся электроны, но делать это нужно не слишком активно, поскольку электроны могут подхватить новые ритмы и когерентность будет утрачена. Так есть ли во Вселенной такое место, где мы могли бы обнаружить подобные тонкие настройки молекулярной упорядоченности, при которых бы наблюдались эффективные результаты квантовых явлений в мире частиц?

Статья Скалли 2011 года является теоретической работой. Никому еще не удалось построить квантовую паровую машину, которая обладала высоким КПД, преодолев предел Карно. Однако в 2013 году вышла еще одна статья авторства той же группы ученых, в которой был отражен любопытный факт, касающийся фотосинтетических реакционных центров [185] Dorfman K. E., Voronine D. V., Mukamel S. and Scully M. O. Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013. — Vol. 110: 8. . Все они содержат не одну молекулу хлорофилла, способную приводить в движение возможную квантовую паровую машину, а пару молекул хлорофилла, названную учеными специальной парой .

Несмотря на то что молекулы хлорофилла в специальной паре являются идентичными, их окружают и удерживают в центре различные белки, что обусловливает их колебания на незначительно отличающихся частотах. Иными словами, они «звучат» немного не в тон. В более поздней статье Скалли и его коллеги отметили, что благодаря такой структуре фотосинтетический реакционный центр характеризуется точной молекулярной архитектурой, необходимой для его превращения в квантовую паровую машину. Исследователи показали, что специальная пара молекул хлорофилла настраивается на общий ритм и использует квантовую интерференцию, чтобы препятствовать переносу энергии по непродуктивным маршрутам, на которых высока вероятность ее растраты. В таком случае молекула-акцептор получит энергии на 18–27 % больше, чем предполагает предел, просчитанный математиком Карно более 200 лет назад. Может показаться, что это не такой уж большой показатель. Однако, если мы обратимся к прогнозам, согласно которым мировое потребление энергии вырастет с 2010 до 2040 года на 56 %, станет понятно, что разработка технологии, благодаря которой можно получить энергию сравнимых объемов, имеет стратегическое значение.