Kwantowy krok naprzód w zrozumieniu procesów biologicznych
Projekt PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) skupił się na dwóch kluczowych procesach biologicznych: fotosyntezie (proces, dzięki któremu rośliny zielone wykorzystują światło słoneczne do syntezy składników odżywczych z dwutlenku węgla i wody) i powonieniu (zdolność do rozpoznawania i rozróżniania zapachów). Zrozumienie procesu fotosyntezy na najbardziej podstawowym poziomie umożliwia stworzenie dużo bardziej efektywnych ogniw słonecznych, a lepsze technologie sztucznego wykrywania zapachów pozwolą na wykrywanie zanieczyszczeń w żywności, wodzie, kosmetykach lub farmaceutykach. Lekcje dawane przez naturę „W odróżnieniu od wzroku, słuchu, czy dotyku, zmysł węchu trudno jest sztucznie odtworzyć z wysoką efektywnością” – wyjaśnia koordynator projektu PAPETS, dr Yasser Omar z Instituto de Telecomunicações w Portugalii. „Udowodniliśmy, że wewnętrzne drgania cząsteczki odpowiadają za jej zapach i uważamy, że może to mieć związek z tunelowaniem elektronów”. Te informacje, odkryte dzięki rygorystycznym badaniom naukowym i analizie zachowań muszek owocowych, zostały zaprezentowane na różnych pokazach naukowych, przybliżając skomplikowaną naukę szerokiej publiczności. „Na naszych pokazach w sposób interaktywny przedstawiliśmy prawdopodobny proces działania zmysłu zapachu: wykorzystywanie drgań odorantów do rozróżniania zapachów” – wyjaśnia Omar. „Pozwoliliśmy odwiedzającym powąchać zapachy o tej samej strukturze, ale wzbogacone o różne poziomy izotopów wodoru. Związki te mają podobny kształt, ale drgają w różnych częstotliwościach. Ci, którzy byli w stanie rozróżnić te izotopy, byli również w stanie wyczuć cząsteczki o bardzo podobnym kształcie, ale innym sposobie drgania – w rzeczywistości mogli „powąchać” drgania!” Innym przełomowym działaniem w ramach projektu była analiza mechanizmu wibronowego w celu wyjaśnienia sposobu transportowania energii w kompleksach w procesie fotosyntezy. Badanie to odegrało ważną rolę w dziedzinie fotowoltaiki organicznej, wpływając na proces separacji ładunków. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications” w grudniu 2016 roku. „Oznacza to możliwość wykorzystania koncepcji sprzężenia wibronowego, opracowanej dzięki badaniu fotosyntezy, do ulepszenia ogniw słonecznych” – mówi Omar. W ramach projektu zbadano również sposób wykorzystania delikatnych anten do zbierania energii słonecznej przez organizmy przeprowadzające fotosyntezę. Po przechwyceniu światła, energia jest szybko przekazywana w obrębie anteny i jej funkcjonalność jest zachowana pomimo zmieniającego się środowiska. Zespołowi uczestniczącemu w projekcie udało się po raz pierwszy zarejestrować ten proces „w akcji”. Te unikalne odkrycia mogą mieć zastosowanie w konstruowanych przez człowieka antenach słonecznych. Wykorzystanie fizyki kwantowej Te przełomowe odkrycia były możliwe dzięki wykorzystaniu fizyki kwantowej, a w szczególności zasady „superpozycji”. Zakłada ona, że cząstkę można opisać jako znajdującą się w dwóch różnych stanach jednocześnie. Mimo iż w oczach laika jest to raczej niewyobrażalne zjawisko, superpozycja opiera się na solidnych danych naukowych. „Superpozycja przyczynia się do wydajniejszego transportu energii” – mówi Omar. „Ekscyton – kwazicząstka przenosząca energię – jest w stanie poruszać się szybciej po kompleksie fotosyntetycznym, dzięki temu, że może przemieszczać się po różnych trasach jednocześnie. Zaskakujące i ekscytujące w tym jest to, że efekty kwantowe zaobserwowane zostały w kompleksach, które są rozległymi, mokrymi i zaszumionymi systemami. Superpozycja jest krucha i spodziewalibyśmy się, że środowisko ją zniszczy”. Zakończony w listopadzie 2016 roku projekt PAPETS przyczynił się do lepszego zrozumienia roli efektów kwantowych w procesach biologicznych, konkretnie w fotosyntezie, a wyniki badań mają ważne zastosowanie praktyczne. Granica między biologią a fizyką kwantową pozostaje obszarem o nieodkrytej jeszcze ogromnej wartości naukowej.
Słowa kluczowe
PAPETS, fotosynteza, energia, biologiczna, kwant, superpozycja, woda, dwutlenek węgla
