Kvantumhatás a fotoszintézisben

A kvantum fizikát és a növénybiológiát két egymástól igen távol álló területnek tekintik, egy új kutatás szerint azonban egészen szoros lehet a kapcsolat a két tudományág között.

Ultragyors spektroszkópia alkalmazásával tudósok megfigyelték, mi történik szubatomi szinten a fotoszintézis legelső szakaszában, felfedezve egy jóval alapvetőbb kölcsönhatást, mint amit korábban lehetségesnek tartottak. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Nemzeti Laboratóriuma és a Notre Dame Egyetem kutatói a Berkeley Egyetem egy korábbi, a fotoszintetikus rendszerekben a kvantum összefonódás mint kvantum koherencia megjelenését vizsgáló tanulmányának folyománya.

Az Argonne biokémikusa, David Tiede magyarázata szerint bár a különböző növény-, alga- és baktérium fajták különböző fényenergia hasznosító mechanizmusok egész sorát fejlesztették ki, mindannyian rendelkeznek egy közös jellemvonással, az úgynevezett fotoszintetikus reakció központtal. Az ebben található pigmentek és fehérjék segítik a különböző organizmusoknak az energia átalakítás kezdeti szakaszának elsajátítását. Ezek a pigment molekulák, a kromofórák felelnek a beérkező fény által hordozott energia elnyeléséért. Miután egy foton becsapódik a sejtbe, izgalmi állapotba hozza a kromofóra egyik elektronját.

Amikor Tiede és kutatótársai megfigyelték a folyamat kezdeti lépését, az olyasvalamit tárt eléjük, amit korábban még nem észleltek, egy foton látszólag több kromofórát is gerjesztett egyidejűleg. "Az észlelt viselkedés az elektromos állapotok egy sokkal kifinomultabb keveredése" - jegyezte meg Tiede. "Azt mutatja, hogy a magas szintű biológiai rendszerek olyan módon merítenek az egészen alapvető fizikából, ami nem tűnt valószínűnek, vagy inkább lehetségesnek"

A kísérlet során észlelt kvantumhatások arra utalnak, hogy a fotoszintézisben szerepet játszó természetes fényhasznosító folyamat sokkal hatékonyabb lehet, mint amit a klasszikus biofizika sugall. "Vajon hogyan alkotta meg az anyatermészet ezt az elképesztően finom megoldást?" - tette fel a kérdést az Argonne kémikusa, Gary Wiederrecht.

A tanulmány eredményei hatással lehetnek a természetes fotoszintetikus rendszereket utánzó mesterséges anyagok és eszközök előállítására. "Azon a szinten, amin jelenleg a mesterséges fotoszintézis tart, képesek vagyunk pigmentek előállítására és egymáshoz csatolására, azonban nem tudunk egyetlen külső környezetet sem lemásolni" - magyarázta Tiede, hozzátéve, hogy a mesterséges fotoszintézis kísérletek nem tudták lemásolni azt a molekuláris mátrixot, ami magába foglalja a kromofórákat. "A következő lépés, hogy ebbe a vázba beépítsük, ezután ezek a kvantum hatások jóval nyilvánvalóbbá válhatnak"

Mivel az a pillanat, amikor a kvantum hatás kialakul rendkívül rövid életű, mindössze egy másodperc billiomod részéig tart, Tiede meggyőződése, hogy a tudósoknak nehéz dolguk lesz megállapítani a hatás létezésének biológiai és fizikai magyarázatát. "Kíváncsiak vagyunk, hogy csupán véletlenül vannak ott, vagy valami szövevényes és egyedülálló dologról tanúskodnak ezekkel az anyagokkal kapcsolatban. Akármi legyen is a helyzet, közelebb kerülünk a fotoszintézis energia átalakításának első lépcsőfokának alapjaihoz" - összegzett Tiede.