Ученые не оставляют попыток повторить в лаборатории процесс фотосинтеза

Под действием света в хлоропласте зеленого живого листа возникает разделение зарядов, между которыми проскакивает «искра».  Иллюстрация создана с помощью GigaChat

Офтальмолог был предшественником Джеймса Максвелла, который за свои 48 лет успел сделать очень многое, доказав, в частности, что свет – это электромагнитные волны. А молодой современник англичанина, русский физик Петр Лебедев пошел еще дальше. Он получил магнитные волны миллиметровой длины, а затем открыл эффект давления света на твердые тела.

Российского физика сменил Альберт Эйнштейн, бывший последователем взглядов Ньютона и математически описавший действие света на металлическую фольгу, из которой под действием света выбиваются электроны (основа действия фотоэлементов). Именно за это, а не за предвосхищение реальности гравитационных волн ему была в 1921 году присуждена Нобелевская премия. Автор Общей теории относительности не верил в планетарную модель атома Эрнеста Резерфорда (премия по химии 1908 года), уверяя, что электрон в своем вращении должен, подобно Земле, терять энергию и в конце концов «упасть» на ядро.

Но буквально через год в Стокгольм вызвали датчанина Нильса Бора, который постулировал сохранение у электрона минимальной «приземленной» (ground) энергии, не дающей ему окончательно упасть. Это был квантовый подход к решению проблемы, явно противоречащий классическим законам астрономии, согласно которым планеты «сваливаются» к светилу по спирали. Но датчанин пошел дальше, заявив, что электрон, получив импульс энергии, например тепловой, возбуждается (становится excited) и способен перейти на более высокий энергетический уровень. Правда, на нем электрон удерживается недолго, так как релаксирует и возвращается на исходный ground уровень.

И если электрон возбуждает синий и уж тем более ультрафиолетовый свет, то «по возвращении» электрон испускает зеленое или желтое свечение. Естественно, оно обладает меньшей энергией. Разница энергий означает расход на работу по совершению «восхождения».

Светится зеленым и спиртовой раствор хлорофилла зеленых растений, на что обращал внимание Климент Тимирязев, стоявший у истоков исследований фотосинтеза. Понадобились долгие десятилетия и напряженный труд ученых, прежде чем с механизмом фотосинтеза стало что-то более или менее понятно.

Выяснилось, что в мембранах хлоропластов локализованы гигантские белковые комплексы фотосистем, собирающие свет. Он направляется на атом марганца, из которого выбивается электрон. Но в отличие от человеческих систем ушедший с орбиты носитель отрицательного заряда не рекомбинирует в течение ничтожно малого времени, а отдает свою энергию на разложение молекулы воды. Этот процесс разложения воды под действием света называется «фотолиз».

Токсичная для клеток молекула кислорода О2 «выбрасывается», а протон водорода (p+) идет к большому протеину фермента АТФазы, имеющему подвижную головку и внутренний канал. Проходящий по нему протон отдает свою энергию. В результате образуется молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – главный энергоноситель живых клеток. Этот механизм в большей или меньшей полноте представляли и век назад, но никто и сегодня не умеет целенаправленно повторить его.

К сожалению, овладение этим квантовым процессом в полной мере было невозможно, так как время релаксации убывающее. Только в прошлом году в Геттингене путем действия света было показано, что отделенный электрон, представляющий собой волновой пакет, может излучать свет.

Это было приближение к решению задачи, но все же только приближение. Дальше пошли в Базельском университете, где создали молекулу, способную аккумулировать двойные заряды. Свою статью в журнале Nature Communications ученые начали с объяснения, что фотохимия подразумевает перенос одиночных электронов, но в искусственных системах протекают реакции с вовлечением многих зарядов. Это требует накопления положительных и отрицательных зарядов, разделенных с помощью света, но квантовый выход при этом не превышает 37%.

Фотолиз воды представляет собой окислительно-восстановительную (редокс) реакцию, осуществляемую в хлорофилле при комнатной температуре. В ходе ее осуществляется трансфер электрона от хлорофилльного марганца к молекуле феофитина и затем к хинону. Эта цепочка молекул способствует образованию состояния с разделенными зарядами: на одном конце оказывается окисленный хлорофилл (у которого «отобрали» электрон) и восстановленный хинон с пришедшим к нему электроном. Так в хлоропласте зеленого живого листа возникает разделение зарядов, между которыми проскакивает «искра».

В Базеле создали молекулу с четырьмя «узлами», благодаря чему происходит разделение зарядов в искусственной системе и, как следствие, их накопление под действием фотонов солнечного света. Причем усвоение света весьма эффективно даже в сумерках, что отличает систему от существующих солнечных панелей.

Преимущество новой молекулы накопления зарядов еще и в том, что осуществляет необратимый процесс только в одном направлении (известно, что большинство реакций, как в той же АТФазе, обратимо и может идти на противоположных курсах). Швейцарцы понимают, что пока сделан лишь первый шаг в верном направлении. Но может статься так, что в недалеком будущем будет налажен не только искусственный фотосинтез, который резко снизит зависимость человека от ископаемых источников энергии.

Овладение квантовым процессом, протекающим при комнатной температуре, откроет путь к созданию «хлорофильных» компьютеров, не требующих сверхохлаждения.