#67 Kwanty w Doniczce, czyli Lepsze-bo-z-Kwiatków Ogniwa Słoneczne

W procesie fotosyntezy światło słoneczne jest przechwytywane i transportowane przez ściśle wyspecjalizowane białka będące częścią układu zbierające energię słoneczną. Co zaskakujące, te białka zachowują się jak maszyny kwantowe, ponieważ używają tzw. kwantowo-mechanicznego mechanizmu transportu w celu jak najbardziej efektywnego przekierowania światła. Na ostatnim etapie białka te przechowują energię słoneczną w centrach reakcji fotosyntetycznej. Badacze z ICFO - Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie po raz pierwszy namierzyli ten przepływ energii w pojedynczych białkach. Odkryli, że kwantowa koherencja, pozwala światłu przepływać w białkach zbierające energię, które są niewrażliwe na wszechobecne, zewnętrzne procesy naturalnego rozproszenia.

Efektywne przetwarzanie światła na użyteczną energię jest jednym z wyzwań, które stoją przed dzisiejszym światem. Potrzeba nam coraz większych zasobów energii, ale czystej, nie powodującej zanieczyszczeń; co więcej, paliwa kopalne nie są brane w obecnej koncepcji pod uwagę.

Organizmy przeprowadzające proces fotosyntezy (każdy w szkole na bioli słyszał i uczył się o fotosyntezie. Jestem fizykiem-bloggerem-i-tłumaczem, nie biologiem, nie będę naruszał waszej zmurszałej wiedzy o fotosyntezie, co więcej, nie chcę wejść w paradę waszej nauczycielce, biolożce. Jeszcze spotkam ją na ulicy, a ta ruszy na mnie z Tłukiem: 'pan jest Laikiem, a nie fizykiem! ;))... to m.in rośliny i niektóre bakterie. Są one mistrzami w przeprowadzaniu powyżej opisanego procesu (ofc nie tego z gonieniem z Tłukiem), procesu fotosyntezy. W jedną bilionową sekundy 95% światła, które absorbują, jest przerzucana dalej w celu napędzenia reakcji metabolicznych, dających energię organizmom żywym. Efektywność ogniw fotowoltaicznych dostępnych na rynku to... ~20%. No comment.

Jakiego ukrytego mechanizmu używa natura, aby transportować energię w sposób tak efektywny? Wiele grup badaczy na całym świecie udowodniło, że sekret wydajnego transportu energii tkwi w zjawisku kwantowo-mechanicznym. Jednakże, do tej pory, nikt nie zaobserwował bezpośrednio możliwych wpływów na taki proces warunków pokojowych dla kwantowego mechanizmu transportującego.

Naukowcy ze wspomnianego wcześniej ICFO, we współpracy z biochemikami z Uniwersytetu w Glasgow po raz pierwszy zaobserwowali, że kwantowe mechanizmy transportu pomagają fotosyntezie w byciu bardziej stabilnej, jeśli chodzi o wpływ otoczenia. Mechanizm kwantowy, który jest odpowiedzialny za efektywność fotosyntezy jest znany jako kwantowa koherencja (zdolność obiektów kwantowych do utrwalenia stanów splątania i superpozycji nawet w przypadku ingerencji warunków otoczenia zewnętrznego na stan kwantowy). Objawia się ona w tzw. fotosyntetycznych białkach zbierających energię świetlną, odpowiedzialnych za absorpcję światła słonecznego i transport energii do centrów fotochemicznych całego procesu fotosyntezy.

Aby zaobserwować efekty kwantowe w fotosyntezie, badacze prowadzeni przez Nieka van Hulsta opracowali nowatorski sposób badań. Energia transportowana podczas procesu fotosyntezy jest niesamowicie szybko przenoszona, a dzieje się to wszystko w skali molekularnej. Aby zaobserwować owe ulotne procesy w akcji użyto superszybkich technik spektroskopijnych, działających na obszarze pojedynczej molekuły. To femtosekundowe błyski światła pozwoliły na wykonanie i wychwycenie serii 'obrazków', coś jak klatki filmu, stanów pojedynczych białek transportujących po absorpcji światła. Należy dodać, aby uchwycić skalę, że przez femtosekundę światło przebywa dystans średnicy włosa ludzkiego, zaś przez sekundę podróżuje z Ziemi na Księżyc! :)

Dzięki 'klatkom' naukowcy zrozumieli, jak energia ze Słońca jest transportowana przy pomocy pojedynczych białek. ' Zaobserwowaliśmy, jak energia przepływa przez świetlne absorpcyjne systemy fotosyntetyczne z niespotykanie wysoką przestrzenną i czasową rozdzielczością.'

Van Hulst i jego zespół wychwycili drogi przenoszenia energii słonecznej przez pojedyncze białka transportujące i wykazali, że każde białko używa w tym celu odrębnych dróg. Zaskakującym jest fakt, że drogi przenoszenia w pojedynczej cząstce białka zmieniały się wraz z upływem czasu z powodu zmian w otoczeniu, jakby wybierano najbardziej optymalne drogi. 'Wyniki pokazują, że koherencja, prawdziwy efekt kwantowo-mechaniczny dotyczący superpozycji, jest odpowiedzialny za utrzymywanie wysokich poziomów wydajności transportu w systemach biologicznych, nawet podczas dostrajania dróg przesyłu energii spowodowanym chwiejnymi warunkami zewnętrznymi.' - tłumaczy van Hulst. (jeśli van Hulst tłumaczy, to , olaboga, może być lepszy ode mnie, zawodowca ;))

Wyniki prowadzą do zrodzenia się fantastycznych pytań. Czy transport kwantowy jest ewolucyjnie lepszy niż inne metody i czy je po prostu wyparł? Czy istnieją inne procesy biologiczne, w których efekty kwantowe odgrywają istotną rolę? W przypadku białek zbierających światło transport kwantowy pozwala na niespotykaną wydajność i stabilność.

Odkrycia mogą prowadzić do stworzenia nowej generacji ogniw słonecznych, które naśladują kwantową koherencję.