اثرات کوانتومی در فتوسنتز مشاهده شد!

گروهی از فیزیکدانان نظری کشف کرده‌اند ملکول‌هایی که در فرآیند فتوسنتز شرکت می‌کنند، مانند ماده غیرزنده، اثرات کوانتومی از خود نشان می‌دهند. این برای نخستین بار است که ثابت می‌شود رفتار کوانتومی در سیستم‌های زیستی درگیر در فرآیند فتوسنتز وجود دارد. تفسیر این اثرات کوانتومی در فتوسنتز می‌تواند به توسعه‌ی دستگاه‌های الهام گرفته از طبیعت کمک کند. نتایج این پژوهش مهم، دیروز در مجله‌ی معتبر Nature Chemistry منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

چند سال است که بحث درباره‌ی اثرات کوانتومی در سیستم‌های زیستی داغ است. ایده‌ی اصلی، این است که الکترون‌ها تا زمانیکه مشاهده نشده‌اند، می‌توانند به طور همزمان در دو حالت باشند که آن را به عنوان اصل برهم نهی کوانتومی می‌شناسیم. این رفتار الکترون‌ها را می‌توان با آزمایش فکری گربه‌ی شرودینگر، مقایسه‌ کرد: گربه‌ای که در یک جعبه، با یک شیشه‌ی کوچک حاوی سمی کشنده، محبوس شده است. اگر کلاهک این شیشه به یک سیستم کوانتومی، وابسته شود، می‌تواند به طور همزمان باز یا بسته باشد، بنابراین گربه در حالت مخلوطی از مرده و زنده قرار دارد، تا زمانیکه ما در جعبه را باز کرده و سیستم را مشاهده کنیم. این پدیده، دقیقا چیزی است که در مورد الکترون‌ها اتفاق می‌افتد.

دانشمندان در پژوهش‌ قبلی، سیگنال‌هایی پیدا کرده بودند که پیشنهاد می‌داد ملکول‌های جمع‌کننده‌ی نور در باکتری می‌توانند به طور همزمان به دو حالت برانگیخته شوند. این امر، تکامل اثرات کوانتومی را ثابت می‌کند، اما در آن آزمایش‌ها، حالت برانگیخته، ظاهرا بیشتر از یک پیکوثانیه طول می‌کشید که بیشتر از زمان پیش‌بینی شده طبق نظریه‌ی کوانتومی است. اکنون دانشمندان در مقاله‌ی خود نشان می‌دهند که این مشاهده‌ی قبلی، غلط است. آنها می‌گویند:

ما نشان داده‌ایم اثرات کوانتومی که آنها گزارش کردند، فقط ارتعاشات منظم ملکول‌ها بود. ما شگفت‌زده می‌شدیم اگر می‌توانستیم حالتی شبیه گربه‌ی شرودینگر را مشاهده کنیم.

آنها از قطبش متفاوت نور برای انجام آزمایش‌ها در باکتری گوگردی سبز جمع‌آوری کننده‌ی نور استفاده کردند. این باکتری، یک ساختار پیچیده‌ی فتوسنتز دارد که از هفت ملکول حساس به نور ساخته شده است. یک فوتون، دو ملکول‌ آنها را برانگیخته خواهد کرد، در حالی که انرژی روی هر دو ملکول سوار می‌شود. بنابراین درست مانند گربه‌ای که زنده یا مرده است، یک ملکول یا ملکول دیگر، با فوتون برانگیخته شده‌اند. دانشمندان می‌گویند:

در مورد چنین برهم نهی، طیف‌سنجی باید یک سیگنال ارتعاشی خاص را نشان دهد و این قطعا چیزی است که ما می‌بینیم. به علاوه این اثرات کوانتومی، طول عمری دقیقا برابر با همان زمان مورد انتظار نظریه‌ی کوانتومی دارند که ثابت می‌کند این اثرات مربوط به انرژی سوارشده روی دو ملکول به طور همزمان است.

آنها نتیجه گرفتند سیستم‌های زیستی، اثرات کوانتومی یکسانی مانند سیستم‌های غیرزیستی نشان می‌دهند. تکنیک‌های مشاهده‌‌ی توسعه‌ یافته برای این پژوهش، می‌تواند به سیستم‌های متفاوتی، چه زیستی و چه غیرزیستی، اعمال شود. دانشمندان از این نتایج خشنودند و می‌گویند:

این یک مشاهده‌ی جالب برای هر کسی است که به جهان شگفت‌انگیز کوانتومی علاقمند است. به علاوه این نتایج می‌تواند نقشی کلیدی در توسعه‌ی سیستم‌های جدید مانند ذخیره‌ی انرژی خورشیدی یا توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی بازی کند.