Τα φυτά γνωρίζουν από κβαντομηχανική

Πώς μπορούν τα φυτά να αξιοποιούν το 95% της λιακάδας που απορροφούν στα φύλλα τους, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα περιορίζονται γύρω στο 20%;

Νέα μελέτη στο Science προσφέρει στήριξη σε μια φαινομενικά τρελή ιδέα, σύμφωνα με την οποία η φωτοσύνθεση αξιοποιεί κβαντικά φαινόμενα.

Η λειτουργία της φωτοσύνθεσης επιτρέπει στα φυτά να χρησιμοποιούν ηλιακή ενέργεια για να διασπούν μόρια νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Σε επόμενη φάση, το υδρογόνο που προκύπτει συνδυάζεται με διοξείδιο του άνθρακα για να παραχθούν τελικά σάκχαρα, τα οποία περιέχουν χημική ενέργεια.

Η τελευταία μελέτη εστιάζεται στα λεγόμενα κέντρα αντίδρασης των φυτών: συμπλέγματα που περιέχουν χλωροφύλλη και πρωτεΐνες και αναλαμβάνουν να συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια.

Προηγούμενες έρευνες (όπως για παράδειγμα αυτή) είχαν δώσει ενδείξεις ότι οι πρωτεΐνες που συλλέγουν το φως εκδηλώνουν ένα φαινόμενο που ονομάζεται «κβαντική συνοχή». Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτός δεν ακολουθεί μια προδιαγεγραμμένη πορεία όταν περνά μέσα από τις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες. Αντίθετα, δείχνει να ακολουθεί όλες τις δυνατές διαδρομές ταυτόχρονα και να «διαλέγει» τελικά την πιο αποδοτική.

Αυτή είναι όμως μια θεωρία που δεν έχει αποδειχθεί στα φυτά, δεδομένα ότι κβαντικά φαινόμενα τέτοιου είδους παρατηρούνται συνήθως σε συνθήκες εργαστηρίου και σε συνθήκες χαμηλής πίεσης και θερμοκρασίας.

Αυτή τη φορά, οι ερευνητές παρουσιάζουν τις σαφέστερες ως σήμερα ενδείξεις για την εμφάνιση πραγματικής κβαντικής συνοχής σε ζωντανούς οργανισμούς -κυανοβακτήρια που φωτοσυνθέτουν όπως τα φυτά.

Η ομάδα του Νικ βαν Χουλστ στο Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών της Ισπανίας βομβάρδισε πρωτεΐνες των κέντρων αντίδρασης με παλμούς ακτινοβολίας λέιζερ. Δεδομένου ότι η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας σε αυτές τις πρωτεΐνες είναι εξαιρετικά γρήγορη, το λέιζερ του πειράματος έπρεπε να είναι αντίστοιχα γρήγορο: κάθε παλμός διαρκούσε λίγα femtosecond. Ένα femtosecond ισούται με ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, το χρόνο που χρειάζεται το φως για να διανύσει απόσταση ενός χιλιοστού του χιλιοστού.

Στέλνοντας συνεχώς τέτοιους παλμούς, οι ερευνητές κατάφεραν να απαθανατίσουν «στιγμιότυπα» από τη διαδικασία μεταφοράς ενέργειας, τα οποία δείχνουν ότι η κβαντική συνοχή αξιοποιείται κατά τη μεταφορά της ηλιακής ενέργειας κατά μήκος των φωτοευαίσθητων μορίων.

Το φαινόμενο της συνοχής σχετίζεται με τη λεγόμενη «υπέρθεση», την ιδιότητα των φωτονίων ή άλλων σωματιδίων να ακολουθούν πολλές διαδρομές ταυτόχρονα ή να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα.

Στην κβαντική φυσική, το φωτόνιο και οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως σωματίδιο και ως κύμα. Κάθε φωτόνιο που πέφτει στις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες μπορεί έτσι να θεωρηθεί ως κύμα (ή, ακριβέστερα, ως κυματομορφή) που ακολουθεί ταυτόχρονα όλες τις πιθανές διαδρομές, και τελικά διαλέγει μία από αυτές -την πιο αποδοτική.

Το εντυπωσιακό εύρημα του πειράματος είναι ότι η ενέργεια των φωτονίων δεν διαλέγει πάντα την ίδια τελική διαδρομή. Αντίθετα, βρέθηκε να ακολουθεί διαφορετικό μονοπάτι ακόμα και σε μόρια πρωτεϊνών με πανομοιότυπη χημική σύσταση. Επιπλέον, τα μονοπάτια των φωτονίων βρέθηκαν να αλλάζουν όταν αλλάζουν και οι περιβαλλοντικές συνθήκες (θερμοκρασία κλπ), εξασφαλίζοντας πάντα τη μέγιστη δυνατή απόδοση.

Οι ερευνητές προτείνουν μάλιστα την υπόθεση ότι το κβαντικό φαινόμενο της συνοχής αξιοποιείται από τα φυτά προκειμένου να προσαρμόζεται η φωτοσύνθεση στις απότομες μεταβολές του περιβάλλοντος.

Είναι μια θεωρία που μένει να αποδειχτεί, σίγουρα όμως η μελέτη ενισχύει την άποψη ότι τα βιολογικά συστήματα γνωρίζουν από κβαντομηχανική -μια ιδέα που τα τελευταία χρόνια αποκαλείται «κβαντική βιολογία».