แสงแดดเพียงเล็กน้อย โปรตีนเก็บเกี่ยวแสงที่โปรยปราย และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณที่พอเหมาะ ทั้งหมดนี้ก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้อาหารจากพืชอร่อยขึ้นเป็นชุดๆ แต่คุณอาจต้องการฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อกวนหม้อ นักวิทยาศาสตร์จับสาหร่ายที่อาศัยในทะเลสาบสังเคราะห์แสงได้โดยใช้เทคนิคควอนตัมที่อยู่ได้นานที่อุณหภูมิห้อง ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารNature เมื่อวันที่ 4 กุมภาพันธ์ ชี้ให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมอาจเป็นหัวใจสำคัญของการแปลงแสงแดดเป็นพลังงานในสิ่งมีชีวิต
“นี่คือกลศาสตร์ควอนตัมในระบบชีวภาพ” Gregory Scholes ผู้เขียนร่วมการศึกษา นักเคมีกายภาพแห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโตกล่าว
การสังเคราะห์ด้วยแสงอาศัยโปรตีนพิเศษที่ดูดซับโฟตอนที่เข้ามาหรืออนุภาคของแสง โฟตอนเหล่านี้กระตุ้นอิเล็กตรอนในโปรตีน โดยสัมผัสกับชุดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่ส่งผ่านอิเล็กตรอนที่เต็มไปด้วยพลังงานไปยังสถานีรวบรวมส่วนกลาง (เรียกว่า photosystems) ซึ่งการแปลงพลังงานเป็นคาร์โบไฮเดรตเริ่มต้นขึ้น
ภายใต้กฎปกติในชีวิตประจำวัน อิเล็กตรอนจะเดินทางไปยังจุดหมายปลายทางด้วยการสุ่มกระโดดอย่างรวดเร็ว แต่การศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับแบคทีเรียและพืชสังเคราะห์แสงชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนอาจทำหน้าที่เหมือนคลื่นที่มีความสัมพันธ์มากกว่าอนุภาคกระโดด ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัม ( SN: 5/9/09, หน้า 26 ) การศึกษาเหล่านี้ส่วนใหญ่เห็นผลควอนตัมที่อุณหภูมิต่ำมาก โดยที่ระบบหยุดนิ่งมาก สโคลส์และเพื่อนร่วมงานได้คิดค้นการทดลองเพื่อดูว่าคุณสมบัติคล้ายคลื่นกลควอนตัมเหล่านี้ยังมีอยู่ในอุณหภูมิปกติหรือไม่
นักวิจัยได้ทำให้โปรตีนที่จับแสงได้บริสุทธิ์จากสาหร่ายสังเคราะห์แสง 2 ชนิดที่เรียกว่า cryptophytes ที่อุณหภูมิห้อง ทีมงานได้ฉายแสงเลเซอร์ไปที่โปรตีนเพื่อกระตุ้นพวกมัน และใช้เลเซอร์พัลส์ที่สองเพื่อดูว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปทางไหน รูปแบบของคลื่นอิเล็กตรอนที่ยาวนาน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม บ่งชี้ว่าความแปลกประหลาดของควอนตัมกำลังทำงานอยู่
Graham Fleming นักเคมีจาก University of California, Berkeley
กล่าวว่า “การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัมมีอยู่ที่อุณหภูมิห้อง “เป็นไปได้มากว่าเป็นคุณสมบัติทั่วไปของคอมเพล็กซ์เก็บเกี่ยวแสงสังเคราะห์แสง” เฟลมมิง ผู้บุกเบิกการศึกษาในช่วงแรกเกี่ยวกับผลกระทบควอนตัมในการสังเคราะห์ด้วยแสงกล่าว
เฉกเช่นน้ำที่สั่นสะเทือนทำลายรูปแบบคลื่นที่สร้างโดยกรวดที่ถูกโยนลงไปในสระน้ำ การเคลื่อนที่แบบสุ่มจากพลังงานความร้อนของอะตอมจะทำลายรูปแบบคลื่นที่สอดคล้องกันของอิเล็กตรอน นักวิจัยคาดว่าจะเห็นความเชื่อมโยงกันประมาณ 20 femtoseconds สโคลส์กล่าว แต่มันกินเวลาประมาณ 400 femtoseconds การมีอายุยืนยาวนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิห้อง “เป็นคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยมมากของการทดลองเหล่านี้” สโคลส์กล่าว
ผลควอนตัมที่ยาวนานเหล่านี้อาจช่วยอธิบายความลึกลับว่าทำไมปฏิกิริยาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเริ่มต้นในการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงมีประสิทธิภาพ ในกลอุบายทางกลเชิงควอนตัมของสาหร่ายเวอร์ชั่นสุดโต่ง อิเล็กตรอนสามารถนำเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดไปยังระบบภาพถ่ายพร้อมกัน และตัดสินใจหลังจากที่พวกมันมาถึงเส้นทางที่ดีที่สุด “อิเลคตรอนที่สั่นสะเทือนนั้นสามารถแยกความรู้สึกออกไปและดูว่าควรไปทางไหน” สโคลส์กล่าว
นักวิจัยยังไม่ทราบแน่ชัดว่าผลกระทบของควอนตัมทำให้ห่วงโซ่ปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมากขึ้นหรือไม่ สโคลส์เชื่อว่าพวกเขาทำ แต่จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมและการทดลองสร้างแบบจำลองเพื่อบอกได้อย่างแน่ชัดว่าเพิ่มการเชื่อมโยงกันของควอนตัมได้มากเพียงใด
“ในความเห็นของฉัน ความเชื่อมโยงกันที่ยาวนานนี้อาจมีความหมายสำหรับการสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติ ในแง่ที่ว่ามันอาจนำไปสู่การเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอย่างมีประสิทธิภาพ แต่สิ่งนี้ยังคงต้องได้รับการพิสูจน์” Rienk van Grondelle จาก VU University Amsterdam กล่าว ซึ่งเป็นผู้ร่วมเขียนบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารNature ฉบับ เดียวกัน
แนะนำ : ข่าวดารา | กัญชา | เกมส์มือถือ | เกมส์ฟีฟาย | สัตว์เลี้ยง
