Κβαντική φυσική στη φωτοσύνθεση

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τορόντο, έχουν παρατηρήσει κβαντομηχανικά φαινόμενα, που συνήθως τα παρατηρούμε σε εργαστήρια φυσικής υψηλής ενέργειας, να εφαρμόζονται σε βιολογικά μόρια τα οποία τα άλγη (φύκια της θάλασσας) χρησιμοποιούν για να κάνουν την τροφή τους με τη βοήθεια του φωτός, δηλαδή με την διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Έτσι έγινε ένα σημαντικό βήμα στο αναδυόμενο πεδίο της κβαντικής βιολογίας, ενισχύοντας έτσι την πεποίθηση όλο και περισσότερων επιστημόνων ότι η Φύση χρησιμοποιεί κβαντομηχανικές πρακτικές στις οργανικές διαδικασίες.

Χημικοί από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο, χρησιμοποίησαν σύνθετα μόρια που συλλαμβάνουν το φως σε άλγη του τύπου cryptophyte, όπως αυτά πιο πάνω. Το κόκκινο υποδεικνύει περιοχές όπου λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Κάθε μονοκύτταρος οργανισμός έχει μήκος εννέα εκατομμυριοστά του μέτρου

Οι χημικοί με επικεφαλής τον Greg Scholes απομόνωσαν μια σύνθετη πρωτεΐνη που συλλαμβάνει το φως από τα φύκια που μπορούν να κάνουν φωτοσύνθεση, όπως ακριβώς κάνουν τα φυτά.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, ο Scholes και οι συνεργάτες του, γράφουν ότι διαπιστώθηκε πως αυτές οι πρωτεΐνες εμφανίζουν φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής, ιδιότητες της ενέργειας και της ύλης που γίνονται σημαντικές στο επίπεδο των ατόμων.

Ο Scholes ανέφερε ότι είναι πιθανό να υπάρχουν πολλά που μπορούν να μάθουν οι φυσικοί και οι μηχανικοί, ώστε να συλλάβουν την ενέργεια από το φως του ήλιου τόσο αποτελεσματικά όσο τα φύκη και τα φυτά.

"Ίσως υπάρχουν βελτιστοποιήσεις που οι εν λόγω οργανισμοί έχουν δουλέψει για πάνω από τρία δισεκατομμύρια χρόνια, που τους βοηθούν να συλλέξουν φως ίσως καλύτερα από ό, τι μπορούμε να κάνουμε σε ένα πλαστικό ηλιακό κύτταρο”, είπε.

Ειδικές πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται τόσο από τα φυτά όσο και από τα φύκια, κατά τη φωτοσύνθεση, για να συλλέξουν το φως του ήλιου και να διοχετεύσουν την ενέργειά του στα «κέντρα της αντίδρασης» της φύσης. 

Οι επιστήμονες, χρησιμοποιώντας την πειραματική τεχνική της «δισδιάστατης ηλεκτρονικής φασματοσκοπίας», απομόνωσαν αυτές τις ειδικές πρωτεΐνες από δύο διαφορετικά είδη φυκιών και μελέτησαν τη λειτουργία τους.

Οι ερευνητές ενεργοποίησαν τις πρωτεΐνες με παλμούς λέιζερ που μιμούνταν την απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας και μελέτησαν την κίνηση της παραγόμενης ενέργειας ανάμεσα στα μόρια που συνδέονται με αυτές τις πρωτεΐνες. 

Αιφνιδιάστηκαν όμως όταν διαπίστωσαν, όπως είπαν, ότι βρήκαν ξεκάθαρα στοιχεία για την ύπαρξη μακράς διάρκειας κβαντομηχανικών καταστάσεων μέσα στα κύτταρα των φυκιών κατά την μεταφορά της ενέργειας και μάλιστα σε θερμοκρασία μόλις 21 βαθμών Κελσίου.

Το συμπέρασμα είναι ότι η ενέργεια της αναρροφούμενης ακτινοβολίας βρίσκεται σε δύο θέσεις ταυτόχρονα, δηλαδή σε μια κατάσταση «κβαντικής υπέρθεσης», η οποία βρίσκεται στο επίκεντρο της κβαντομηχανικής θεωρίας.

Το νερό όμως και τα άλλα στοιχεία, διαταράσσουν πολύ εύκολα την κβαντική κατάσταση, μια διαδικασία που λέγεται αποσυνοχή (decoherence).

Η ενέργεια που παράγεται από την φωτοσύνθεση, «εξερευνά» ταυτόχρονα (κβαντικά) όλα τα πιθανά μονοπάτια μέσα στον οργανισμό και επιλέγει τον πιο αποδοτικό «δρόμο».

Μια προηγούμενη έρευνα, βρήκε φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής στα μόρια της φωτοσύνθεσης αλλά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όσο και του ψυχρού υγρού αζώτου, αλλά δεν έγινε σαφές για το πώς η φυσική της φωτοσύνθεσης δουλεύει σε ζωντανά φυτά.

Σύμφωνα με τον Greg Scholes, “αυτό σημαίνει ότι οι πιθανοκρατικοί νόμοι της κβαντομηχανικής μπορούν να υπερισχύουν πάνω στους κλασσικούς νόμους της κινητικής σε ένα πολύπλοκο βιολογικό σύστημα, ακόμα και σε κανονικές θερμοκρασίες”.

Σημειωτέον ότι οι επιστήμονες προσπαθούν να θέσουν σε λειτουργία κβαντικούς υπολογιστές, αλλά μόνο σε κρυογονικές θερμοκρασίες.

Ο Scholes πρόσθεσε ότι ανακύπτει επίσης το ερώτημα κατά πόσον αυτοί οι οργανισμοί, όπως τα φύκια, ανέπτυξαν κβαντομηχανικές στρατηγικές για να έχουν κάποιο εξελικτικό πλεονέκτημα όσον αφορά τη συλλογή του φωτός και την παραγωγή ενέργειας (φωτοσύνθεση).

Ο Scholes συμπλήρωσε ότι το επόμενο βήμα είναι να σχεδιάσουν την εξέλιξη αυτών των κβαντικών φαινομένων σε φύκια για να δούνε την καταγωγή τους.

"Έχουμε μια ολόκληρη ομάδα από αυτά τα φύκια, και με την ανάλυση των γονιδίων τους, θα μπορούμε να τα ταξινομήσουμε πίσω στον χρόνο και να δούμε το πρώτο από αυτά τα είδη που χρησιμοποίησαν την κβαντομηχανική”, εξήγησε.

πηγή