Фотоны как универсальный инструмент увидеть то, что казалось невидимым

Электрически переключаемая (tunable) металинза с двойной модальностью. Иллюстрация Physorg

В полном соответствии с постулатами Нильса Бора пребывание заряда в «горних высях» весьма непродолжительно. Электрон возвращается на исходный (ground) энергетический уровень. При этом часть энергии излучается в виде фотона. И энергия этого кванта света может быть весьма велика в случае ультрафиолета, например, обжигающего сетчатку, или ничтожно мала. Красный свет не засвечивает фотопластинки и пленку, а инфракрасный свет мы даже не ощущаем. Наш глаз видит лишь в узком оптическом «окошке» обширного спектра электромагнитных излучений, кванты которых несут энергию, величина которой определяется частотой или длиной волны (вернее, «волнового пакета»).

В том же окошке «видят» и растения с их фотосинтезирующими системами (ФС). Главной из этих ФС является огромный – по молекулярным масштабам, конечно, – белковый комплекс ФС2. Он встроен в фосфолипидную мембрану. Вот уже несколько десятилетий ученые пытаются с помощью самых разных инструментов детально рассмотреть его строение, чтобы выяснить квантовый механизм светоулавливания.

При фотосинтезе рассеяния (диссипации) энергии света не происходит, поскольку энергия выбитого фотонами электрона не пропадает втуне, а идет – через посредство иона водорода (Н+) – на восстановление СО2. После этого начинается сборка углеродных цепочек, например глюкозы.

Естественно, что хлоропласт высших растений имеет очень сложное строение, поэтому основные достижения ученых в области изучения ФС2 связаны с исследованием значительно более простых одноклеточных водорослей. В пекинском Институте ботаники получили структуру диатомовых водорослей – их кремниевые панцири-оболочки разделены на две половинки. Изучать мельчайшие детали их анатомии позволяет современная лабораторная техника, в частности – различные микроскопы. Последним на сегодняшний день в линейке микроскопов стал криоэлектронный. Свое название он получил потому, что исследуемые образцы должны быть глубоко заморожены. Это препятствует тепловому колебанию атомов и молекул, тем самым повышая разрешение микроскопа.

Такой криоэлектронный микроскоп дал возможность рассмотреть структуру суперкомплекса водоросли с разрешением 2,7 ангстрема (0,27 нанометра, 10–9 м). С помощью компьютера, объединившего 10 950 изображений с 787 586 частицами, была реконструирована 3D-структура светоулавливающей антенны Lha и выяснена роль пигментов диато- и фукоксантинов (красная окраска последних, как у фуксии, особенно важна для того, чтобы излишний свет не «засветил» хлорофилл, функционирующий в узких квантовых «рамках»).

В состав комплекса ФС2 входят также хлорофилл и геммы, которые имеют пиррольные кольца, определяющие зеленый цвет растений и красный гемоглобина крови; а также пластохиноны, препятствующие излишнему окислению; железо и ионы соды, хлора и кластер Mn4CaO5 (образующий нечто вроде куба); и, наконец, 69 молекул различных липидов. Известно, что растения охотно синтезируют различные масла, в том числе и эфирные.

Биологи в Миланском политехническом университете вместе с коллегами из берлинского Центра молекулярной медицины показали, что с помощью света можно контролировать развитие органоидов – миниатюрных «органов», получаемых из стволовых клеток. Достижению ученых способствовала оптогенетика, то есть введение в клетки генов светочувствительных ионных каналов водорослей. В результате клетки стали «отвечать» на свет.

Интересное наблюдение сделано также в Массачусетском технологическом институте, что близ Бостона. Там выяснили, что свет способствует испарению воды без ее… нагревания. Статья ученых, которая называется «Фотомолекулярный эффект, ведущий к испарению воды без достижения термального лимита», опубликована в журнале «Труды АН США» (PNAS). Авторы статьи полагают, что обнаруженный феномен может играть роль в образовании тумана и изморози в воздухе.

В техническом плане еще дальше пошли сотрудники университета в портовом г. Пхохан (Южная Корея). Они представили миру не просто металинзу, а «дуалистическую» (dual) металинзу. Описание этого «гаджета» публикует журнал Natire. Подача напряжения способствует ее переключению (switch) между модальностями света в зависимости от его состояния. Попросту говоря, одна линза дает как красный, так и синий цвет.