Macromoleculele ce captează lumina în celulele plantelor transferă energia profitând de avantajele vibraţiilor moleculare ale căror descrieri fizice nu au o echivalenţă în fizica clasică, în conformitate cu primele dovezi teoretice evidente ale efectelor cuantice în procesul de fotosinteză ce au fost publicate în revista Nature Communications.
Imagine: celule de plante cu cloroplaste vizibile (de la un muşchi, Plagiomnium afini). Credit: Wikipedia
Cea mai mare parte dintre macromoleculele care captează lumina sunt compuse din cromofori (responsabili pentru culoarea moleculelor) fixaţi de proteine şi care realizează prima etapă din procesul de fotosinteză, captarea luminii Soarelui şi transferul foarte eficient al energiei asociate acestui proces. Experimentele anterioare au sugerat că energia se transferă sub formă de undă, pe baza fenomenelor cuantice, dar este important de subliniat că o explicaţie diferită de cea clasică nu a putut fi demonstrată în mod concludent. În acest fel se credea că fenomenele identificate pot fi descrise în acelaşi mod prin folosirea fizicii clasice.
De cele mai multe ori pentru a observa sau pentru a valorifica efectele cuantice este necesar ca sistemele implicate în studiul proceselor cuantice să fie răcite la o temperatură foarte scăzută. Acest lucru însă se pare că nu este necesar în cazul unor sisteme biologice care evidenţiază proprietăţi cuantice chiar şi la temperatura camerei.
În prezent, o echipă de la University College London a încercat să identifice caracteristici ale acestor sisteme biologice care pot fi prezise numai de către fizica cuantică şi pentru care nu există analogii pe baza fizicii clasice.
„Transferul de energie în macromoleculele de colectare a luminii este asistat de mişcările vibraţionale specifice ale cromoforilor", a spus Alexanda Olaya-Castro din cadrul Departamentului de Fizică şi Astronomie al University College London, supervizor şi coautor al studiului. „Am constatat că vibraţiile cromoforilor care ajută la transferul de energie din timpul fotosintezei nu pot fi descrise pe baza fizicii clasice şi, mai mult, acest comportament diferit de cel clasic îmbunătăţeşte eficienţa transferului de energie".
Vibraţiile moleculare sunt mişcări periodice ale atomilor dintr-o moleculă, similare mişcării unei corp ataşat de un arc. Când energia vibraţiei colective a doi cromofori corespunde diferenţei de energie dintre tranziţiile electronice a acestor cromofori se produce un fenomen de rezonanţă şi are loc un schimb de energie eficient între gradele de libertate vibraţionale şi cele electronice.
S-a constatat că energia asociată vibraţiei este mai mare şi se datorează transferului unei unităţi discrete de energie sau a unei cuante de energie. Prin urmare, în timp ce energia este transferată de la un cromofor la altul, vibraţia colectivă prezintă proprietăţi care nu au un corespondent clasic.
Echipa din cadrul University College London a descoperit dovezi incontestabile ale unui proces diferit de cel clasic şi care este indicat printr-o valoare negativă a probabilităţii de a găsi cromofori având anumite poziţii relative şi anumite valori ale impulsului. În fizica clasică valorile probabilităţilor sunt întotdeauna pozitive.
„Valorile negative din aceste distribuţii de probabilităţi reprezintă o confirmare a unei caracteristici cu adevărat cuantice care este reprezentată de schimbul coerent al unei singure cuante de energie", a explicat Edward O'Reilly din cadrul University College London, autorul principal al studiului. „Când se întâmplă acest lucru gradele de libertate electronice şi vibraţionale sunt corelate şi tranzitorii în cadrul unei suprapuneri de stări cuantice, o caracteristică care nu poate fi prezisă cu ajutorul fizicii clasice".
Alte procese biomoleculare cum ar fi transferul de electroni în cadrul macromoleculelor (ca în centrii de reacţie din sistemele fotosintetice), modificările structurale ale cromoforului după absorbţia fotonilor (ca în procesele ce ţin de vedere) sau recunoaşterea unei molecule de către o alta (în procesele ce implică mirosul) sunt influenţate de mişcările vibraţionale specifice. Prin urmare, rezultatele acestei cercetări sugerează că o examinare mai atentă a dinamicii vibraţionale care are loc în aceste procese ar permite studierea altor prototipuri biologice în care se manifestă cu adevărat fenomene diferite de cele descrise de fizica clasică.
Traducere de Cristian-George Podariu după quantum-mechanics-efficiency-photosynthesis cu acordul editorului
