HighTech 
Физик Сет Ллойд из Массачусетского технологического института, известный своими работами в области квантовых компьютеров, однажды понял, что с помощью различных вирусов можно увеличить эффективность передачи фотосинтетической энергии используя квантовый эффект. И когда он обратился к коллегам-биологам, оказалось, что над этим уже ведется работа. Результат такого сотрудничества не заставил себя ждать: это генетически модифицированные квантовые вирусы, созданные для транспортировки экситона.
Что же такое экситон, спросите вы? С технической точки зрения, это квазичастицы, состоящие из электрона и электронной дыры, связанных силой электростатического поля. Он появляется при поглощении фотонов полу- или непроводником, а также способен переносить энергию на малейшие дистанции без больших затрат.
Это, кстати, является и главным подтверждением того, что поведение молекул белка, включая те, что связывают друг с другом молекулы хромофора, полностью идентично полупроводникам; некоторые даже называют их “квантовыми полупроводниками”. Когда фотон ударяется о фотосинтетический хромофор, в нем генерируется экситон - в этом он ничем не отличается от других полупроводниковых материалов. Затем он перескакивает на другие молекулы до тех пор, пока не доберется до реакционного центра, энергия в котором связывает между собой молекулы способного к диффузии СО2, которые буквально выхватываются из воздуха.
В момент этого перескакивания и начинается волшебство. Благодаря своей волнистой форме частицы способны открывать сразу несколько траекторий движения и выбирать из них наиболее оптимальную. Однако в случае если расположение хромофоров и период существования их экситонов будет недостаточным, частица затратит на перемещение намного больше времени. То же самое можно сказать и о передаче электронов через молекулы белка в митохондриальной дыхательной цепи. Ллойд дал всем этим явлениям причудливое название “квантовый эффект Златовласки”, суть которого в следующем: естественный отбор продвинет квантовые системы на уровень квантовой когерентности, достаточный для обеспечения максимальной эффективности.
Ллойд также отметил, что в фотосинтезе, скорость процессов которого измеряется в наносекундах, время существования экситона на шесть порядков меньше: его процессы происходят за фемтосекунды (миллиардная доля секунды). Весь процесс, начиная со сбора и поглощения молекул фотосинтетическими антеннами до их захвата в реакционном центре, занимает всего несколько десятых пикосекунд. Применив к своей квантовой системе издавна известный в биологии эффект Златовласки, Ллойд и сделал вывод о том, что принципы биологии применимы и к физике, а значит, в фотосинтез можно поместить и квантовые процессы.
Однако заветной цели достичь не так просто. Например, свойства экосистемы фотосинтеза в больших по размеру симбионтах хлоропласта клетки далеки от идеальных. Ллойд утверждает, что уровень квантовой сложности и когерентности должны всегда быть на определенном уровне, чтобы обеспечивать эффективное перемещение всех без исключения экситонов, генерируемых в антенне, до реакционного центра. Звучит неплохо, однако не стоит забывать, что 100% гарантии работы чего-либо вообще не может быть. Например, эффективность фототока в фотосистеме, которая по расчетам должна превышать 95%, на деле оказывается лишь 5-процентной. И если попытаться найти причину столь большой разницы, неизбежно возникнет множество трудностей.
Итак. Вероятно, к этому моменту у вас назрел вопрос: какое все это имеет отношение к вирусам? Ранее команде Бэлкер удалось привязать хромофоры, также носящие название порфирина цинка, к вирусу М13 и исследовать с их помощью некоторые аспекты электролиза и солнечной энергии. В случае недостатка железа в организме, молекулы порфирина цинка могут естественным образом формироваться в нашей крови и собираться в единое ядро. Кстати говоря, в хлорофилле в той же роли выступают атомы магнезия.
Для создания нового квантового вируса М13 биологи использовали недавно выведенные хромофоры под названием Алекса Флюор №488 в качестве акцептора и №594 в качестве донора, которые могут взаимодействовать с узкими и хорошо изолированными друг от друга полосами поглощения, обеспечивающими спектральное перекрытие для эффективной передачи энергии. Они привязаны к вирусу посредством простейших аминогрупп белка оболочки вируса.
Все это привело к увеличению периода диффузии в генетически усовершенствованной вирусной антенне на 68%, а следовательно, и количество доноров, передающих акцепторам энергию. Увеличенная практически вдвое скорость экситонов позволяет им продвинуться намного дальше перед тем, как быть рассеянными. Чтобы наглядно убедиться в том, что квантовая когерентность действительно ускоряет передачу энергии, команда использовала лазерную спектроскопию и теоретическое моделирование динамики экситонов.
Хотя вирус и продемонстрировал способность захватывать и перемещать свет, технологии все еще не хватает более продуманного реакционного центра, а без метода преобразования энергии проект рискует так и не сдвинуться с мертвой точки. Кроме того, механизм пока не позволяет преобразовывать энергию в топливо или в другие структурные молекулы, как это делают электростанции. Но все это может оказаться лишь вопросом времени. Однако на данный момент существует не так много способов исследовать все поразительные свойства квантовой биологии.