پژوهش‌گران با بررسی گونه‌ای باکتری دریافتند که ارتعاشات مولکولی نه‌تنها همدوسی کوانتومی را از بین نمی‌برد، بلکه به آن تداوم بخشیده و حتی آن را بازسازی می‌نماید.

 نظریه‌ی جدیدی از چگونگی فوتوسنتز گیاهی شامل همدوسی کوانتومی، توسط فیزیکدانانی در انگلستان، آلمان و اسپانیا نشان داده شده است. این پژوهش بر مبنای مطالعه‌ی موجوداتی است که در اعماق دریا زندگی می‌کنند و قادرند نور خورشید را به انرژی تبدیل کنند. بر طبق این مطالعه ارتعاشات مولکولی، همدوسی را از بین نمی‌برد – همان‌طور که قبلاً تصور می‌شد- بلکه به آن تداوم بخشیده و حتی آن را بازسازی می‌نماید. این کشف درک بهتری را از این موضوع فراهم می‌کند که چطور 99٪ انرژی خورشید توسط سلول‌های فوتوسنتز جذب شده و سپس با موفقیت به مکان‌هایی در این سلول‌ها که انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند، انتقال می‌یابد. این کار این امکان را فراهم می‌کند که در طراحی دستگاه‌های کوانتومی از طبیعت الهام گرفته شود.

مرطوب، گرم و همدوس: یک ترکیب پروتئین-رنگدانه

تا این اواخر تصور می‌شد که سیستم‌های زنده بسیار گرمتر و مرطوب‌تر از آنی هستند که به ویژگی‌های ظریف کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی (entanglement) و همدوسی بستگی داشته باشند. مشکل اینجاست که این ویژگی‌ها به سرعت از طریق برهم‌کنش‌های تصادفی با عوامل دنیای بیرونی، مانند مولکول‌های مرتعش از بین می‌روند. با این وجود در طی چندین دهه‌ی گذشته، فیزیکدانان در ویژگی‌های کوانتومی که نقش مهمی در فرآیندهای بیوشیمیایی ایفا می‌کنند از جمله فوتوسنتز شروع به شک کردند.

این پژوهش توسط الکس چین و همکارانش از مؤسسه‌ی فیزیک نظری در Ulm آلمان و دانشگاه فنی کارتاگنا (Technical University of Cartagena) انجام شده است. این تیم موجودات زنده‌ای به نام باکتری‌های گوگود سبز که 2000 متر زیر سطح اقیانوس زندگی می‌کنند را مورد بررسی قرار داد. نور خورشید در آن جا بسیار کم است به گونه‌ای که این باکتری‌ها نمی‌توانند یک فوتون آزاد کنند و بنابراین همه‌ی نور خورسیدی که توسط آن‌ها جذب می‌شود، به غذا تبدیل می‌گردد.

 حالت‌های برانگیخته

هنگامی که نور خورشید به سطح گیاه برخورد می‌کند، انرژی از طریق زنجیره‌ای از رنگدانه‌ها به مرکز واکنش منتقل می‌شود که در آن‌جا به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. این رنگدانه‌ها در محل توسط پروتئین‌ها نگه داشته می‌شوند و با یکدیگر ترکیبات پروتئین-رنگدانه (PPCs) را ایجاد می‌کنند. PPCs به طور مؤثری به عنوان راهرو عمل می‌کند و انرژی، خود به شکل حالت‌های برانگیخته مولکولی یا برانگیزان (exciton) عبور می‌کند. این برانگیزان‌ها قادرند در امتداد PPC با پرش از مولکولی به مولکول مجاور حرکت کنند.

در سال 2007 گراهام فلمینگ و همکارانش نشان دادند که این برانگیزان‌ها همدوسی کوانتومی را به نمایش می‌گذارند که بدان معنی است که آن‌ها ممکن است به طور هم‌زمان در برهم‌نهی چندین حالت کوانتومی با احتمالات متفاوت وجود داشته باشند. همدوسی هم‌چنین به برانگیزان اجازه می‌دهد تا مسیرهای مختلفی را در یک زمان به سمت مرکز واکنش بپیماید. سرانجام با انتخاب سریعترین راه، کارآمدترین مسیر مشخص می‌شود. همان‌طور که در سلول‌های خورشیدی ساخت بشر (که به برانگیزان‌ها بستگی دارند) نشان داده شده است که هرچه مسیر طولانی‌تر باشد، احتمال آنکه انرژی قبل از رسیدن به مقصد پراکنده شود، بیشتر می‌شود.

 بهینه‌سازی عملکرد

وجود اثرات کوانتومی در فوتوسنتز هم فیزیکدانان و هم زیست‌شناسان را غافلگیر کرده است. آنان در حیرت‌اند که چطور یک حالت کوانتومی شکننده (fragile) می‌تواند در یک موجود زنده باقی بماند. به طور خاص‌تر، آن‌ها فهمیدند که حالت‌های همدوسی 100 مرتبه طولانی‌تر از زمان همدوسی حالت‌های انرژی یک برانگیزان است. باید پدیده‌ای به حفظ طولانی‌ مدت این حالت‌های موجی به منظور عبور بی‌خطر تقریباً همه‌ی انرژی فوتون‌هایی که جذب موجود زنده می‌شود، کمک ‌کند.

این پژوهش نشان می‌دهد که پاسخ در پروتئین‌های موجود در PPCs نهفته است که از مولکول‌های رنگدانه حمایت ساختاری می‌کنند. محاسبات جدید نشان می‌دهد که این مولکول‌ها در سیستم انتقال سریع‌تر از آنچه که پیشتر تصور می‌شد، عمل می‌کنند. بسامدهای ارتعاش طبیعی پروتئین‌ها با امواج برانگیزان تشدید می‌شوند و مانند پدر یا مادری که فرزندش را تاب می‌دهد، ساختارهای پروتئینی برانگیزان‌ها را بدون میرا کردن در نوسان نگه می‌دارند.

 بدون هیچ نوفه‌ای

محاسبات این تیم از تحلیل‌های دقیق ارتعاشات پروتئینی ناشی می‌شود که داده‌های آن مربوط به مارکوس وندلینگ و همکارانش در هلند است که در سال 2000 ساختارهای PPC باکتری‌های گوگرد سبز را بررسی کردند. در تلاش‌های قبلی به منظور مطالعه‌ی ارتعاشات پروتئینی از تقریب‌های ناهموارتری استفاده شده بود و معمولاً نتیجه گرفته می‌شد که ارتعاشات در واقع نوفه بوده‌اند.

شناخت این ساختارهای پروتئینی می‌تواند به طراحی دستگاه‌های کوانتومی کمک کند. در صورت استفاده از ساختاری مشابه شاید بتوان بازده‌ی سلول‌های خورشیدی ساخت بشر را افزایش داد.

 یک فرضیه‌ی خوب

گرگ شولز از دانشگاه تورنتو در کانادا می‌گوید: «آزمایشات دقیقی لازم است تا این نتایج را تایید کند. این پژوهش کمک مهمی به ما کرده است. چرا که اکنون یک فرضیه داریم و می‌توانیم درستی آن‌را آزمایش کنیم.»

این پژوهش در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/11/proteins-boost-quantum-coherence-in-bacteria