Kwantowa fotosynteza

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Najnowszy numer Nature Communications informuje o zdobyciu pierwszego jednoznacznego teoretycznego dowodu na występowanie zjawisk kwantowych podczas fotosyntezy. Pismo donosi, że światłoczułe makromolekuły w komórkach roślinnych przenoszą energię za pomocą drgań, które nie są opisywane przez klasyczną fizykę.

 

Większość wspomnianych molekuł składa się z chromoforów przyczepionych do protein. To one są odpowiedzialne za przeprowadzenie pierwszego etapu fotosyntezy - zebranie światła słonecznego i efektywne przekazanie jego energii. Już wcześniejsze badania sugerowały, że w tym momencie mogą pojawiać się pewne mechanizmy kwantowe, jednak nie potrafiono tego udowodnić, gdyż obserwowane zjawiska można było wyjaśnić na punkcie fizyki klasycznej.

 

Zwykle do zaobserwowania zjawisk kwantowych konieczne jest schłodzenie badanego obiektu do bardzo niskich temperatur. Takie działania nie wchodzą w grę w przypadku systemów biologicznych, które prawdopodobnie korzystają ze zjawisk kwantowych w wysokich temperaturach.

 

Wspomnianego na wstępie odkrycia dokonali uczeni z University College London, którzy zaobserwowali w systemach biologicznych zjawiska, które można wyjaśnić tylko na gruncie fizyki kwantowej. W zbierających światło makromolekułach transferowi energii towarzyszą specyficzne wibracje chromoforów. Odkryliśmy, że właściwości niektórych z tych wibracji nie można opisać za pomocą fizyki klasycznej. Co więcej te nieklasyczne zjawiska zwiększają wydajność transferu energii - mówi Alexanda Olaya-Castro, która nadzorowała badania.

 

Brytyjscy uczeni odkryli ni mniej ni więcej, że zachodzi ujemne prawdopodobieństwo napotkania chromoforów o pewnych względnych pozycjach i momentach. W fizyce klasycznej prawdopodobieństwo jest zawsze dodatnie. Ujemne wartości prawdopodobieństwa to znak, że mamy do czynienia ze zjawiskiem kwantowym czyli w tym przypadku koherentnej wymianie pojedynczego kwantu energii - mówi Edward O'Reilly, główny autor badań.

 

Wiadomo, że wibracje wpływają na inne procesy zachodzące na poziomie molekuł - na transfer elektronów, zmiany strukturalne chromoforów pod wpływem absorpcji fotonów czy też na rozpoznawanie jednych molekuł przez inną (np. w procesie wąchania). To z kolei wskazuje, że bliższe zbadanie dynamiki wibracji molekuł w systemach biologicznych może doprowadzić do odkrycia wielu zjawisk wychodzących poza klasyczną fizykę.