Как выпускник Казанского университета делает рейтинг Гарварду

Совместное исследование сотрудников Казанского и Гарвардского университетов объясняет распространение энергии в фотосинтетических клетках.
Выпускник кафедры теоретической физики КГУ, а ныне научный сотрудник Гарвардского университета и участник программы повышения конкурентоспособности КФУ (с.н.с. лаб. "Необычная сверхпроводимость и магнетизм") Семен Сайкин рассказал журналисту газеты о результатах своей научной работы, раскрывающей механизмы экситонной передачи энергии в молекулярных антеннах клеток фотосинтетических организмов.
Перед аспирантами КФУ исследователь прочитал курс лекций по проблемам в современной физике. Одна из тем была посвящена передаче энергии в светопоглощающих комплексах фотосинтетических организмов.
В последние годы в связи с развитием нанотехнологий физики стали уделять внимание не только процессам, протекающим внутри и на поверхности твердого тела, а также процессам в биологических структурах.

- Раньше мы просто не могли рассчитать такие большие и сложные системы. Сейчас вычислительные мощности позволяют это сделать. Вдобавок появились возможности изучать одиночные наноструктуры и биологические системы экспериментально, - пояснил Семен Константинович.
Так, наноструктуры применяются в роли сенсоров внутри клеток, а методы квантовой физики используются для расчетов структуры биомолекул.

Одним из активных направлений является исследование физических основ фотосинтеза. В рамках научной работы Семеном Сайкиным было выполнено моделирование транспорта энергии в светособирающих антеннах фотосинтетических организмов.
- В процессе фотосинтеза переработка световой энергии осуществляется в различных частях фотосинтетического комплекса. Однако, можно сказать, что это части одной органеллы. Энергия транспортируется на расстояния порядка сотни нанометров. Но если сравнивать с размером клетки, то все это происходит в одном месте.
Свет улавливается антеннами, другие части клетки транспортируют его, третьи – запасают в виде химических соединений.
Моделированием экситонной динамики в Гарварде ученые занимаются в течение последних 8 лет.
- Были объединены усилия исследователей из трех различных групп – двух экспериментальных (Dr. J. Tang, микробиология, Clark University, USA; Dr. J. Smith, нанофотоника, University of Oxford, UK), которые выращивали микроскопические фотосинтетические бактерии, и теоретической – в моем лице.
Основные принципы и проблемы моделирования экситонной динамики были изучены на примере антенн зеленых серобактерий, которые обитают в водоемах, содержащих сероводород. По словам ученого, это достаточно живучие организмы.
- Зеленые серобактерии обладают уникальными свойствами. Их находят не только на поверхности водоемов, но также и на больших глубинах порядка нескольких сотен метров, куда практически не доходит свет.
Семен Константинович смог смоделировать, как энергия передается по большому макромолекулярному комплексу посредством экситонов.
- Механизм транспортировки известен уже давно, но было не совсем понятно, как это происходит на микроскопическом уровне.
Жизненный цикл большинства растений и фотосинтетических бактерий основан на поглощении света. Растения поглощают солнечную энергию благодаря тому, что у них есть светособирающие комплексы (антенны) — пигмент-белковые комплексы фотосинтезирующих организмов, локализованные в фотосинтетических мембранах и выполняющие функцию первичного поглощения квантов света с последующей миграцией энергии возбуждения к реакционным центрам фотосистем.

В антеннах свет преобразуется в экситоны (электронные возбуждения, передающиеся от молекулы к молекуле и таким способом перемещающиеся по структуре) и передается в другое место, где эта энергия используется уже для биохимических реакций.
В ходе эксперимента из бактерий выделяли хлоросомы, и помещали их в оптический резонатор, где при помощи специальных методов наблюдали появление поляритонов.
- Не изменяя структуру антенны, мы изменили ее свойства. В результате, взаимодействие между резонатором и антенной пошло когерентно. А значит, мы смогли доказать, что действительно можно внедрить антенные комплексы в резонатор и получить сильную связь между экситонами и фотонами, что дает появление новых частиц - поляритонов (поляритоны - это квазичастицы, обладающие одновременно свойствами света и материи).
Долгое время ученые могли лишь создавать эти квазичастицы, но управлять и манипулировать ими не удавалось. А ведь такой контроль поведения поляритонов, по мнению исследователя из Гарварда, представляет собой весьма перспективное направление: при помощи квазичастиц можно создать абсолютно новые технологии, связывающие обычную электронику с лазерными или оптоволоконными технологиями.
- Физики чаще всего используют для изучения искусственные объекты. А тут речь идет о растении – естественном объекте. Это интересно для самого исследователя.
А с другой стороны, можно найти применение этому методу в использовании солнечной энергии, чтобы конвертировать химические реакции.

По мнению ученого, если научиться делать подобного рода антенны, то можно будет в будущем говорить о создании каких-то нанороботов, микроскопических автоматов, работающих на солнечной энергии.
- В конце прошлого года мы начали работать над новой идеей - пытаться внедрить в резонаторы не отдельные органеллы, а целые бактерии. И надеемся наблюдать квантомеханический эффект в полностью живых структурах.
Эффективность экситонной передачи энергии внутри светопоглощающих антенн является одним из критических факторов, который контролирует развитие фотосинтетических организмов в условиях ограниченных энергетические ресурсов.
- Исследование передачи энергии в антеннах на микроскопическом уровне имеет как фундаментальное значение для понимания эволюции фотосинтеза, так и практическое применение для создания синтетических светособирающих систем, - резюмировал ученый.
Сотрудничество с родной кафедрой теоретической физики в рамках программы повышения конкурентоспособности КФУ оказалось весьма полезным. Во-первых, оно позволило взглянуть на мои исследования с другой стороны. А прошедшие научные дискуссии с высоквалифицированными учеными дали мне новый импульс. Во-вторых, я сейчас на кафедре руковожу бакалаврской работой студента по данной (новой для КФУ) тематике. Рассчитываю, что эта работа окажет существенное влияние на понимание микроскопических процессов передачи энергии в наноструктурированных материалах, и это переведет наши совместные исследования на новый уровень.