Немецкие и израильские ученые исследуют роль квантовых спиновых эффектов в переносе энергии

Квантово-физические явления активно проявляют себя в биологических процессах, связанных с поглощением света и передачей энергии. В рамках междисциплинарного проекта ученые из Мюнстерского университета, Ульмского университета и Еврейского университета в Иерусалиме сосредоточили усилия на изучении того, как именно эти квантовые эффекты модулируют движение электронов в живых системах. Исследование, озаглавленное «Квантовые спиновые эффекты в основе энергетических биопроцессов», получило финансовую поддержку от Фонда Фольксваген в рамках программы «NEXT — Квантовая биология» в размере, превышающем два миллиона евро.

Профессор Мартин Пленио отметил, что фундаментальные биологические процессы, такие как фотосинтез, протекают со скоростью, которую невозможно адекватно объяснить, используя только постулаты классической физики. Междисциплинарная группа стремится установить точную роль квантовой физики в оптимизации и ускорении этих жизненно важных процессов. Ключевым элементом исследования является спин электрона — его внутренний момент импульса, генерирующий магнитный момент, способный влиять на скорость перемещения электрона.

Интенсивность магнитных взаимодействий критически зависит от пространственной структуры биомолекул, в частности, от их хиральности, или «рукости». Хиральные молекулы функционируют как спиновый фильтр, обеспечивая электронам с различной спиновой ориентацией неодинаковую легкость прохождения, что известно как эффект хирально-индуцированной спиновой селективности (CISS). Этот эффект устанавливает прямую связь между хиральной симметрией и спином электрона, что имеет глубокие последствия для понимания гомохиральной природы жизни.

Исследования, связанные с эффектом CISS, ранее продемонстрировали его применимость в спинтронике и для более глубокого понимания спиново-селективных процессов в биологии. Ученые из Еврейского университета в Иерусалиме ранее установили, что спин электронов влияет на перенос протонов в хиральных средах, связывая это с возбуждением хиральных фононов, что ускоряет движение протонов, ключевых для клеточной биоэнергетики. Это открытие переводит перенос протонов из чисто химической плоскости в область квантовых процессов.