Техника квантовой визуализации дает представление о фотосинтезе

6 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Инженерный колледж Грейнджер Университета Иллинойса

Системы, подчиняющиеся квантовой механике, как известно, трудно визуализировать, но исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали технику иллюстрации, которая отображает квантовые характеристики в виде легко читаемой диаграммы, называемой картой когерентности. Исследователи использовали эти карты для изучения квантовых механизмов, лежащих в основе фотосинтеза — процесса, посредством которого растения и некоторые бактерии используют солнечный свет для преобразования углекислого газа и воды в пищу.

«Трудно было поверить, насколько простыми являются карты когерентности», — сказала Нэнси Макри, профессор химии Университета штата Иллинойс и руководитель проекта. «Когда имеешь дело с неинтуитивными квантовыми явлениями как частью сложных процессов, таких как фотосинтез, интерпретация теоретических расчетов может быть довольно сложной задачей. Но карты когерентности скажут вам все, что вам нужно знать, на снимке».

В исследовании, опубликованном в журнале «The Journal of Physical Chemistry Letters», исследовательская группа Макри применила карты когерентности для нового анализа более ранних компьютерных моделей фотосинтезирующих бактерий. Исследователи изучили молекулярный комплекс, который «собирает» солнечный свет, поглощая его и передавая энергию в место химической реакции, где перерабатываются углекислый газ и вода. Карты когерентности не только ясно показали, как энергия передавалась к месту реакции, но и дали четкое квантовое объяснение этой передачи.

Макри объяснил, что карты когерентности — это иллюстрации уменьшенной матрицы плотности, математического объекта, содержащего всю информацию о квантовом поведении системы. «Даже для систем небольшого размера матрица приведенной плотности становится довольно большой, и все ее компоненты взаимосвязаны», — сказала она. «Это просто слишком много информации для анализа. Однако с картами согласованности тонна информации выскакивает из изображений с первого взгляда».

По словам Макри, эта информация позволила исследователям «очень прозрачно» идентифицировать пути передачи энергии в бактериальном светособирающем комплексе. Комплекс содержит внешнее кольцо и внутреннее кольцо молекул. Внешнее кольцо поглощает солнечный свет, а внутреннее кольцо содержит место химической реакции. Группа Макри показала, что два кольца связаны движениями атомов в молекулах, а карты когерентности ясно показали, что эти движения фокусируют энергию от внешнего кольца к внутреннему.

«Забегая вперед, я считаю, что карты когерентности станут бесценным инструментом для теоретического анализа, основанного на квантовой механике», — сказал Макри. «Именно в этом исследовании они дали важное представление о механизме фотосинтеза, одной из величайших загадок биологии».

Исследовательская группа Макри сообщила о моделировании механизма передачи энергии в фотосинтезирующих бактериях в журнале Science Advances, а группа представила карты когерентности в журнале Journal of Physical Chemistry B.

Больше информации: Решми Дэни и др., Карты когерентности и поток энергии возбуждения в бактериальном светособирающем комплексе 2, Журнал Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00670

Информация журнала:Журнал писем по физической химии