2012. május 30. - 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.
Egy 2010-es kutatás eredményei
Azt már mindannyian tudjuk, hogy a növények nélkülözhetetlenek a földi ökoszisztémában - nélkülük nem lenne oxigén a légkörben, nem létezne a tápláléklánc, és persze mi sem - mégis, jelenlétük olyannyira közönséges és megszokott, hogy hajlamosak vagyunk megfeledkezni erről mindennapjainkban. Pedig még a legutolsó, árva kis fűszál is megannyi csodálatos és lélegzetelállító titkot őriz évmilliárdok óta, amelyek közül néhányat csak most kezdünk egyáltalán felfogni.
2010-ben legalább két független kutatócsoport is arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézis során a fény felhasználásának kvantum-hatékonysága egyszerűen lehetetlenül magas - túl kicsi a hő, ill. kisugárzott fluoreszencia energia-veszteség a folyamatban. Valami más, rejtélyes jelenség kell, hogy megalapozza a 95-98 %-os kvantum-hatékonyságot (szemben a napelemeink 10-15 %-os csúcsteljesítményével) - de mi lehet az? A tudósok elképesztő felfedezést tettek, amely egyben létre hozta a kvantum-biológia tudományágát.
De miről is van szó pontosan? A jelenség megértéséhez egy cseppnyi (klasszikus) biológiát kell némi fotokémiával kevernünk, merész ízlésvilágot tükröző kvantumfizikával fűszerezve. Ez elég egzotikusan hangzik, de ne ijedjünk meg tőle!
A fotoszintézis fény-szakasza
A fotoszintézis legelső, ún. "fény-szakaszában" a növények és a klorofillt tartalmazó baktériumok zöld pigmentjei elnyelik a vörös és a kék fény kvantumait (a fotonokat), és az általuk hordozott energiát továbbítják azokat az ún. "reakció-centrumokba", ahol az élettani folyamatok kémiája megkezdődik.
A fény elnyelése a levél felszínén az ún. "antenna-komplexumokban" történik, amelyek végső soron maguk is a klorofill-molekulák csoportjai, de fehérjeláncaik kapcsolódásai nem teszik lehetővé, hogy egymagukban értékesítsék (közvetlenül felhasználják) a beérkező foton energiáját. Ehelyett a fényt befogó molekula elektronjai a gerjesztés hatására a környezetükénél magasabb energiaállapotba kerülnek, amelyből alapvetően háromféleképpen tudnak visszaállni eredeti állapotukba -
A) Maguk is (fluoreszcens) fényt bocsátanak ki, és a foton kibocsátása során az elektronjuk "visszaesik" az alacsonyabb energiaállapotú héjra,
B) Az energia-többlet hővé alakul (a növény vagy fotószintetizáló baktérium felmelegszik),
C) A többlet-energiát átadják a szomszédos klorofill-molekuláknak, amíg az el nem jut az ún. "reakció centrumokba", ahol két speciális klorofill-molekula "csapdába ejti", kivonja a magasabb energiaállapotú elektront a folyamatból, elkülöníti azt a felszíni "antenna-komplexumoktól", így véget vet a láncreakciónak és innentől megkezdődhet a szintézis kémiai része.
Természetesen a fotoszintézis szempontjából csak a legutolsó lehetőség "hasznos", mivel élettanilag csak ebből nyerhet kémiai energiát biológiai folyamatainak fenntartásához. Éppen ezért a fotoszintézis fény-szakaszának egyik legfontosabb minőségi jellemzője, ún. "kvantum-hatékonysági mutató" - amely végső soron azt adja meg, hogy a beérkező fotonok hány %-a vált ki fotokémiai reakciót (vagyis jut el felhasználható módon az antenna-klorofillokból a reakcióközpontokba.)
A tudósokat már korábban is ámulatba ejtette, hogy milyen döbbenetesen magas a növények, ill. zöld algák, baktériumok ilyen értelemben vett "kvantum-hatékonysági mutatója" - kiderült ugyanis, hogy a beérkező (elnyelt) fotonok energiájának legalább 95-98 %-a jut el a befogástól a felhasználás első fázisáig.
Figyelembe véve, hogy milyen távol vannak a reakció-centrumok a pigmentektől (antenna-komplexumoktól), és hogy milyen kevés van belőlük a fényt elnyelő klorofill-molekulákhoz képest, szinte érthetetlennek tűnt hogy miért nem "veszik el" a fotonok energiájának döntő hányada hőként és/vagy fluoreszcens, kisugárzott fényként a továbbítás során - eddig.
Kísérleti vizsgálatok és bizonyítás
A kutatók a jelenséget az egyik legegyszerűbb és legjobban ismert kémiai felépítésű, fotoszintézist végző, zöld kénbaktériumok családjába tartozó élőlényen vizsgálták úgy, hogy az annak felszínén lévő klorofill antenna-komplexum egy-egy kiválasztott molekuláját precíziós, hihetetlenül rövid ideig tartó (femtoszekundumos) lézer-impulzussal besugározták (szimulálva a napfény hatását), és utána egy ultragyors érzékelési eljárással, az ún. kétdimenziós elektronikus spektroszkópiával vizsgálták az energiaszintek "szétterjedését", illetve átadódását a szomszédos klorofill-molekulák között.
Nem kis meglepetésükre azt tapasztalták, hogy az elnyelt foton energiája gyakorlatilag "azonnal", vagyis mérhető időkülönbség nélkül jelent meg a messzebb lévő klorofill-molekulákban is, a fénysebességet, illetve a pigmentek térbeli távolságát láthatóan figyelembe sem véve. A kutatók úgy fogalmaztak - "olyan, mintha az elnyelt foton energiája egyszerre jelent volna meg mindenhol, késleltetés nélkül" (vagyis minden környező antenna-komplexumban), noha csak az egyiküket érte a lézer-impulzus.
Mai, éppen hogy csak felismert (józan ésszel alig felfogható) fizikai ismereteink alapján mindez csak egyféleképpen lehetséges - a térben jól elkülönülő klorofill-molekulák kvantumfizikai szinten összefonódott részecskepárokból állnak, illetve ilyeneket tartalmaznak. Másképp megfogalmazva - ugyanazon részecskék manifesztációi egyszerre vannak jelen több térbeli helyen a növény vagy zöld alga (fotoszintetizáló élőlény) levelének (testének) felszínén, a fény-szakasz vizsgált biológiai felépítésében egyaránt.
A felfedezés jelentősége
Az hogy egy részecske (fény-foton, elektron, stb.) egyszerre több, független helyen lehet jelen a térben, önmagában is nehezen felfogható, és kísérleti bizonyítása is csak a legutóbbi években sikerült. Még megdöbbentőbb a részecskepárok bármelyikének állapotának megváltozása (pl. mérés által) azonnal annak ikertestvér-párjának megváltozásához vezet, időbeli késleltetéstől és fénysebességtől, térbeli távolságtól függetlenül.
A kísérleti bizonyítások hihetetlenül precízen és szigorúan kontrollált, laboratóriumi körülmények között sikerültek, szinte tökéletesen zaj- és hőmérsékleti behatásoktól mentes (ideális) kvantum-optikai közegekben, ezért nagyon sok kutató úgy vélte - a kvantum-összefonódás és annak bizarr, józan észnek ellentmondó tulajdonságai a természetben ritkán vagy szinte soha nem fordulhatnak elő, így vizsgálatuk ugyan érdekes, ám mindez nem sok hatással lehet mindennapi életünkre.
Ennél nagyobbat láthatóan nem is tévedhettünk volna! A 2010-ben zajló kutatások vezető tudósai éppen ezt emelték ki kommentárjaikban. "A kvantum-összefonódás ill. korreláció ilyen kimagasló aránya eddig szinte elképzelhetetlennek tűnt szobahőmérsékleten, élő biológiai közegekben, ahol a folytonosan lezajló kémiai és biológiai reakciók milliárdjai, illetve a hőmérsékleti entrópia zavaró hatásai miatt senki nem számított ilyesmire" - nyilatkozták.
Mindez végső soron úgy értelmezhető, hogy a kvantumfizikai szinten létező összefonódottság egyáltalán nem kivételes és ritka, hanem - egyenesen természetes és gyakori jellemzője a növény-élettannak. És ha a növényekre jellemző, miért ne lenne lehetséges fejlettebb élőlények esetében is? Miért korlátozódna csupán néhány klorofill-molekulára? Lehetséges, hogy ennél sokkal többről van szó?
A sci-fi, a tudomány és a fantázia határai
A gondolkodni képes, öntudattal rendelkező növények számtalan tudományos-fantasztikus filmben és egyéb képzőművészeti alkotásban megjelentek már, de ennek a felvetésnek (eddig) nem volt szinte semmiféle tudományos alapja. A kritikusok leginkább azt emelték ki, hogy a növényeknek nincsen a fejlettebb élőlényekéhez hasonlítható idegrendszere (szinoptikus összeköttetések hálózata), amely lehetővé tenné ilyen, magasabb rendűnek tekintett funkciók kialakulását.
Most viszont, hogy bizonyítékunk van arra, hogy növények egyes sejtjei - térbeli és talán időbeli távolságtól függetlenül - kvantumfizikai kapcsolatban állnak egymással, már nem lehet teljes képtelenségnek tekinteni az ehhez hasonló felvetéseket.
Miért ne létezhetne összefonódás (vagy összefonódások egész hálózata) a növény egészen távoli részei között? Miért kellene lehetetlennek tekintenünk, hogy az összefonódások egy ilyen, feltételezett hálózata akár még egy magasabb rendű élőlény idegrendszerhez is hasonlíthat? Vagy, ha önmagában egy példány nem is képes erre, akkor miért ne lehetne mindezt kiterjeszteni a növények egy kolóniájára?
Elképzelhető, hogy 10-15 év múlva egy újabb kutatócsoport bizonyítja, hogy ugyanilyen kvantumfizikai összefonódás létezik nem csak egy egyed levelén belül, de például egy erdő vagy páfrányos egymástól távolabb élő példányainak leveleiben található molekulák között. És ha ez megtörténik (ami immár nem kizárható), akkor joggal merül majd fel a kérdés - lehet egy erdőnek öntudata? Érzései? Hangulata? Érezhetnek a növények, vagy azok csoportjai félelmet, fájdalmat, örömöt vagy szimpátiát?
Hangsúlyozzuk, hogy mindez nem következik a mostani (2010-es) felfedezésekből, csupán a lehetőségük nyílik meg ez által. Tehát, az ehhez hasonló felvetések továbbra is a sci-fi, de azon belül immár a tudományosan megalapozottnak tekinthető, fantasztikus teóriák közé tartoznak.
Természetesen egyelőre nem kell attól tartanunk, hogy a skizofrén szobanövényünk a tévé mögötti sarokban sokkot kap az általunk nézett műsoroktól és zárt osztályra kerül; sőt, az is valószínűtlen, hogy a napraforgók ránk mosolyognának a mezőn ahelyett, hogy az életet adó, kékesen ragyogó égboltot betöltő fény felé fordulnának.
Mégis, a felfedezés jelentősége messze túlmutat a fotoszintézis folyamatának megértésén. Rávilágít arra, hogy nem csak a fizikában, de az élő szervezetek biológiájában is megjelenik, méghozzá természetes (sőt, nélkülözhetetlen) módon a józan észnek fricskát mutató egzotikus állapot, a tértől és időtől független kvantum-öszefonódottság jelensége.
