Німецькі та ізраїльські вчені досліджують роль квантових спінових ефектів у перенесенні енергії

Сучасна наука дедалі частіше знаходить переконливі підтвердження того, що квантово-фізичні явища відіграють фундаментальну та незамінну роль у складних біологічних процесах, особливо в тих, що безпосередньо пов’язані з поглинанням світлової енергії та її подальшою високоефективною трансформацією. У межах масштабного міжнародного та міждисциплінарного проєкту провідні науковці з Мюнстерського університету, Ульмського університету, а також Єврейського університету в Єрусалимі об'єднали свої зусилля для детального вивчення механізмів того, як саме ці специфічні квантові ефекти модулюють рух електронів усередині живих систем. Це амбітне дослідження, що отримало офіційну назву «Квантові спінові ефекти в основі енергетичних біопроцесів», було відзначено значною фінансовою підтримкою від престижного Фонду Фольксваген. Грант, наданий у межах спеціалізованої програми «NEXT — Квантова біологія», становить суму, що перевищує два мільйони євро, що підкреслює надзвичайно високу значущість та перспективність цієї наукової роботи для світової академічної спільноти.

На переконання професора Мартіна Пленіо, одного з ключових ініціаторів та учасників цього проєкту, фундаментальні біологічні процеси, серед яких найбільш значущим для життя на Землі є фотосинтез, протікають із такою неймовірною швидкістю та точністю, яку просто неможливо адекватно описати чи пояснити, спираючись виключно на традиційні постулати класичної фізики. Міждисциплінарна група дослідників прагне встановити конкретну роль квантової механіки в оптимізації та суттєвому прискоренні цих критично важливих реакцій, що забезпечують існування біосфери. Ключовим об'єктом їхньої пильної уваги став спін електрона — його фундаментальний внутрішній момент імпульсу, який є невід'ємною характеристикою елементарної частинки. Саме спін генерує магнітний момент, який здатний безпосередньо впливати на траєкторію, енергетичний стан та швидкість переміщення електрона, забезпечуючи безпрецедентну ефективність енергетичного обміну в складних клітинних структурах.

Особливу увагу в межах цього дослідження вчені приділяють тому, як інтенсивність магнітних взаємодій залежить від унікальної та складної просторової структури біомолекул. Вирішальним фактором у цьому контексті виступає їхня хіральність, або так звана «рукість», що визначає специфічну дзеркальну асиметрію молекулярних сполук, притаманну органічній матерії. Хіральні молекули в живих системах функціонують як надзвичайно витончені та ефективні спінові фільтри, створюючи умови, за яких електрони з різною орієнтацією спіну проходять крізь них із різним ступенем легкості або опору. Це явище відоме в сучасних наукових колах як ефект хірально-індукованої спінової селективності (CISS). Даний ефект встановлює прямий і нерозривний зв’язок між геометричною хіральною симетрією молекул та квантовим спіном електрона, що відкриває абсолютно нові перспективи для глибинного розуміння гомохиральної природи життя та еволюційних механізмів на нашій планеті.

Попередні наукові розвідки, присвячені детальному вивченню ефекту CISS, вже наочно продемонстрували його величезний практичний потенціал для застосування в інноваційній галузі спінтроніки, а також для значно глибшого аналізу спін-селективних хімічних реакцій у складних біологічних середовищах. Дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі раніше експериментально встановили, що спін електронів чинить суттєвий та визначальний вплив на перенесення протонів у хіральних середовищах. Вони аргументовано пов’язують цей механізм із виникненням хиральних фононів — специфічних коливань решітки, які значно прискорюють рух протонів. Останній є критично важливим елементом клітинної біоенергетики, метаболізму та процесів дихання. Це революційне відкриття фактично переміщує процес перенесення протонів із площини традиційної класичної хімії в область складних і динамічних квантових взаємодій, остаточно доводячи, що життя на мікроскопічному рівні підпорядковується фундаментальним законам квантового світу.