Fotosinteza cuanticaPosibile efecte cuantice în fotosinteză: oamenii de ştiinţă au o dovadă experimentală pentru interacţiunile de natură cuantică dintre stările electronice şi modurile fononilor din centrul reacţiilor fotosintetice ale algelor marine criptofite.

 

 

 

 

Cu câţiva ani în urmă, fotosinteza părea să fie un proces simplu şi uşor de înţeles în care plantele şi alte organisme folosesc lumina Soarelui pentru a transforma dioxidul de carbon şi apa în glucoză, cu oxigenul pe post de produs rezidual al acestei reacţii. Dar un studiu recent care arată faptul că energia luminii care pătrunde în moleculele de cromofori ale acestor organisme care absorb lumina poate exista în două locuri deodată - ca o superpoziţie de stări din mecanica cuantică - a ridicat o nouă întrebare: ce rol, dacă există vreunul, au efectele cuantice în importantul şi răspânditul proces de fotosinteză?

Până acum, subiectul a fost doar o speculaţie. Cercetătorii nu au alte dovezi experimentale care să demonstreze că efectele cuantice au un rol funcţional în fotosinteză decât observaţia superpoziţiilor coerente ale energiei luminii.

Acum, într-un nou studiu, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnică Swinburne şi Universitatea Melbourne, ambele aflate în Victoria, Australia şi Universitatea New South Wales din Sydney, Australia, au oferit sprijin suplimentare modelelor teoretice care prezic un rol jucat de mecanica cuantică în cadrul fotosintezei.


Modelarea cuantică

"Despre efectele cuantice s-a prezis că au un rol în primele etape ale fotosintezei, atunci când este necesar un transfer eficient de energie între cromofori," a afirmat Jeffrey Davis de la Universitatea Tehnică Swinburne. “Natura mecanicii  cuantice presupune ca energia să fie transferată în mod reversibil între stări atâta vreme cât se păstrează caracterul coerent. Ca un rezultat al reversibilităţii, efectele cuantice permit excitării iniţiale să exploreze diferite căi pentru transferul energiei.”

În acest mod, legătura cuantică permite energiei luminii să investigheze în mod simultan mai multe căi şi apoi să aleagă cea mai scurtă şi mai eficientă cale, astfel rezultând un transfer de energie eficient. Dar, de asemenea, Davis explică că nu este atât de simplu pe  cum pare, deoarece coerenţa completă poate, de fapt, să facă mai mult rău decât bine.

“În mod interesant, aceste modele prezic că un sistem mecanic cuantic complet fără decoerenţă ar conduce de fapt la o reducere a eficienţei transferului de energie deoarece reversibilitatea completă ar însemna că energia nu stă unde ar trebui să fie.” explică el. “Ca un rezultat, o anumită decoerenţă este necesară pentru a asigura ca pe de o parte energia să ajungă acolo unde este nevoie, să nu se mai întoarcă. Modelele prezic că cu o combinaţie potrivită de efecte cuantice coerente care să exploreze în mod reversibil diferite căi şi o decoerenţă care să asigure faptul că energia stă acolo unde este nevoie, poate fi obţinută o eficienţă optimă pentru transferul de energie.”

 



Observaţiile făcute până acum despre superpoziţiile coerente ale energiei luminii în cromofori încă nu au furnizat suficiente dovezi pentru a demonstra că aceste teorii sunt corecte. Aşa cum explică Davis, dovezile experimentale cer testarea eficienţei transferului de lumină în diferite condiţii. “Studiile anterioare au scos la iveală prezenţa superpoziţiilor coerente durabile şi un efect cuantic intrinsec, dar asta nu înseamnă neapărat că acestea au un rol important în fotosinteză, sau, mai specific, în procesele de transfer al energiei.” afirmă el.” Dovezile experimentale care să dovedească că efectele cuantice au un rol în fotosinteză ar trebui să demonstreze un transfer de energie coerent şi reversibil între stările ulterioare excitării tranziţiei unui singur electron. Pentru a stabili importanţa acestui rol, sunt necesare anumite comparări între eficienţa transferului cu sau fără efecte cuantice (sau cu diferite cantităţi de decoerenţă).”


Individualizarea căilor


Cu toate că Davis şi coautorii nu au detectat asemenea dovezi în studiul lor, ei au furnizat dovezi suplimentare în susţinerea argumentului potrivit căruia coerenţa cuantică durabilă observată anterior nu este decât un fenomen neînsemnat. Pentru a face asta, oamenii de ştiinţă au folosit o nouă tehnică spectroscopică care, spre deosebire de tehnicile anterioare, le permite să investigheze procesele individual, câte unul o dată, când au loc în centrul de reacţie fotosintetic al algelor marine criptofite. Spre deosebire de această tehnică nouă, coerenţa cuantică în centrul de reacţie fotosintetic al algelor a fost iniţial observată folosind spectroscopia electronică 2D, care foloseşte impulsuri scurte, de bandă largă, pentru a investiga dinamica energiei. Folosirea impulsurilor de bandă  largă (adică impulsuri cu o gamă largă de frecvenţe) excită în mod simultan multe căi diferite. Cu toate că această tehnică poate fi folositoare, ea face, de asemenea, dificilă izolarea diferitelor procese deoarece mai multe excitări pot interacţiona şi îşi pot modifica reciproc dinamica.


Folosind tehnica mai nouă şi mai puţin comună, cercetătorii au putut excita doar calea în care are loc coerenţa. Prin individualizarea acestei căi s-au scos la iveală  semnături clare ale cuplajului puternic între stările electronice şi modurile vibraţionale ale matricei de proteină (fononi) în centrul de reacţie fotosintetic al algelor. Aşa cum explică Davis, acest tip de interacţiune nu este ceea ce s-a a aşteptat de la modelele clasice care au fost folosite în mod tradiţional pentru a descrie centrul de reacţie şi transferul de energie în fotosinteză. “Observaţia noastră a cuplajului puternic între stările electronice şi modurile fononilor ale matricei de proteină furnizează dovezi experimentale puternice că tratamentul clasic al acestor interacţiuni nu este suficient şi că modele care includ detalii microscopice ale interacţiunilor de cuplaj sunt într-adevăr necesare, “afirmă Davis. “Natura cuantică a acestor interacţiuni creşte şansa ca efectele cuantice să aibă un anumit impact şi sporeşte posibilitatea transferului de energie coerent în fotosinteză.”

În viitor, cercetătorii plănuiesc să extindă suplimentar tehnica pentru a investiga aceste interacţiuni de natură cuantică şi rolul avut în centrul de recepţie şi transferul de energie. “În prezent, explorăm dependenţa acestor interacţiuni coerente cu privire la un număr de parametri experimentali, printre care temperatura, lungimea undelor şi polarizarea,” afirmă Davis. “Aceste rezultate ne vor permite să explorăm natura stărilor excitate, interacţiunile lor cu modurile de fononi ale matricei de proteină  şi rolul avut în transferul de energie. De asemenea, plănuim să investigăm dacă asemenea coerenţe durabile există şi între alte stări din aceste sisteme şi în cele din urmă dacă are loc coerenţa transferului între stări şi dacă acesta este relevant pentru fotosinteză.”


 

Articolul reprezintă traducerea articolului Study supports role of quantum effects in photosynthesis, publicat pe site-ul http://physorg.com, cu acordul editorului.
Traducere: Ioana Mădălina Ilinca

Pt a posta comentarii: creați un cont pe site, folosiți contul de FB, Twitter sau Google ori postați ca vizitator (fără nicio formalitate de înregistrare). Pt vizitatori comentariile sunt moderate (nu se publică automat).

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Fii primul care comentează.

Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Loghează-te ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 


Sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro