Χρησιμοποιούν τα φυτά την Κβαντομηχανική για να Εκτελούν Φωτοσύνθεση;
Τα φυτά μπορεί να χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική για να αποτρέψουν την αποσυνοχή κατά τη φωτοσύνθεση, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία πιο αποτελεσματική.
Το 2007, μια ερευνητική ομάδα που αποτελείται από ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στις ΗΠΑ, καθώς και από το Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου του Καρόλου στην Πράγα, πρότειναν τα φυτά να χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική και να εκτελούν κβαντικούς υπολογισμούς. Οι ερευνητές πρότειναν ότι η κβαντική μηχανική, την οποία πολλοί εξακολουθούν να θεωρούν τον τομέα της επιστημονικής φαντασίας (προς το παρόν τουλάχιστον), λάμβαναν χώρα στον κήπο σας.
Αυτό θεωρήθηκε αρχικά τόσο παράλογο που όταν δημοσιεύτηκε το έγγραφο που ισχυριζόταν τις κβαντικές ικανότητες για τα φυτά, οι επιστήμονες γέλασαν. Οι κβαντικές μηχανές, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, απαιτούσαν εξειδικευμένες συνθήκες όπως θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν και ένα παρθένο κενό για να λειτουργήσουν. Δεδομένων αυτών των έντονων συνθηκών, φαινόταν αδύνατο φυτά που ζουν στον πραγματικό κόσμο, όπου οι θερμοκρασίες μπορούν να φτάσουν τους 40 βαθμούς Κελσίου και μόρια όπως το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα χτυπούν συνεχώς τα πάντα, να μπορούν επίσης να εμπλέκονται στην κβαντική μηχανική.
Ωστόσο, καθώς οι επιστήμονες διερεύνησαν περαιτέρω αυτόν τον γελοίο ισχυρισμό, τα στοιχεία για την κβαντική φύση των φυτών έγιναν μόνο ισχυρότερα.
Λοιπόν, τι χρησιμοποιούν τα φυτά την κβαντομηχανική και πώς το κάνουν;
Μια επισκόπηση της φωτοσύνθεσης (Photo Credit :VectorMine/Shutterstock)
Πού χρησιμοποιείται η Κβαντομηχανική στη Φωτοσύνθεση;
Η φωτοσύνθεση είναι μια από τις ραχοκοκαλιές της ζωής στον πλανήτη μας. Προμηθεύει τον κόσμο με οξυγόνο και τροφή χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα. Όλα αυτά τροφοδοτούνται από την ενέργεια του ήλιου.
Τα μόρια που ονομάζονται χρωμοφόρα (ένα από τα οποία είναι η χλωροφύλλη) συλλαμβάνουν φωτόνια που υπάρχουν στο ηλιακό φως.
Σημείωση: Θα γράψω «φυτά» όταν θέλω να αναφερθώ σε φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, αλλά να θυμάστε ότι τα φυτά δεν είναι τα μόνα που εκτελούν φωτοσύνθεση. Τα φύκια, οι πρωτιστές και μερικά βακτήρια το κάνουν επίσης!
Όταν τα φωτόνια χτυπούν τα χρωμοφόρα, περνούν την ενέργειά τους σε ένα ηλεκτρόνιο του μορίου της χλωροφύλλης. Αυτό το ηλεκτρόνιο είναι τώρα ενεργοποιημένο, όπως ένας ενήλικας που μόλις ήπιε τον πρωινό του καφέ. Η ενέργεια που συνδυάζεται με το ηλεκτρόνιο ονομάζεται τώρα εξίτον .
Αυτό το εξιτόνιο πρέπει να φτάσει σε ένα μέρος που ονομάζεται κέντρο αντίδρασης. Το κέντρο αντίδρασης είναι όπου το εξιτόνιο θα εναποθέσει την ενέργειά του, η οποία τελικά θα γίνει ATP, η μορφή ενέργειας που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά για να φτιάξουν τροφή (και να κάνουν άλλα πράγματα). Πρέπει να συμβούν πολλές άλλες διεργασίες προτού σχηματιστεί το ATP, αλλά αυτό ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου.
Η μεταφορά του εξιτονίου στο κέντρο αντίδρασης δεν είναι μια απλή διαδικασία, όπου εμφανίζεται η κβαντομηχανική.
Η φωτοσύνθεση μπορεί να αποφύγει την αποσυνοχή
Η κλασική άποψη είναι ότι το εξιτόνιο μπορεί να μεταπηδήσει από το ένα χρωμοφόρο στο άλλο μέχρι να βρει τελικά το δρόμο του προς το κέντρο αντίδρασης. Αυτό περιγράφεται ευρέως ως «μεθυσμένος περίπατος», ένα τυχαίο «πηδώντας» μέχρι να φτάσετε στον επιθυμητό προορισμό.
Ο «Μεθυσμένος περίπατος» των εξιτον προς το κέντρο αντίδρασης. (Φωτογραφία:CNX OpenStax
/Wikimedia Commons)
Ωστόσο, σε αντίθεση με αυτήν την άποψη, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι το εξιτόνιο δεν χάνεται ποτέ. Ποτέ δεν παρέσυρε και εναπόθεσε την ενέργεια αλλού, και σχεδόν πάντα έβρισκε το δρόμο του προς το κέντρο αντίδρασης. Εάν πρόκειται για «μεθυσμένο παραπάτημα», τότε το εξιτόν θα πρέπει πιθανώς να χάνεται μια στο τόσο. Αυτό το «χάσιμο» συμβαίνει σε βιολογικά συστήματα, οπότε γιατί όχι εδώ;
Το έγγραφο του 2007 πρότεινε ότι οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί ήταν σε θέση να αποτρέψουν κάτι που ονομάζεται αποσυνοχή.
Τι είναι η υπέρθεση και η αποσυνοχή;
Στην κλασική φυσική, αν στέκεσαι στην ουρά στο καφενείο, δεν μπορείς να βρίσκεσαι ταυτόχρονα στη δουλειά ή στο αυτοκίνητό σου να οδηγείς. Μπορείτε να βρίσκεστε μόνο σε ένα μέρος τη φορά.
Αυτό δεν ισχύει για τα κβαντικά σωματίδια. Εάν ήσασταν ένα κβαντικό σωματίδιο, θα υπήρχαν διαφορετικές πιθανότητες για εσάς που βρίσκεστε είτε στην καφετέρια, στη δουλειά ή στο αυτοκίνητό σας.
Όταν οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν πού μπορείτε να βρείτε - το κβαντικό σωματίδιο -, πρέπει να μετρήσουν. Όταν το κάνουν αυτό, σε αναγκάζουν να είσαι σε ένα μέρος. Ωστόσο, μέχρι να μετρήσουν ακριβώς πού βρίσκεστε, βρίσκεστε ταυτόχρονα στο καφενείο, στο αυτοκίνητό σας και στη δουλειά.
Η πράξη του να βρίσκεσαι σε πολλά μέρη ταυτόχρονα ονομάζεται υπέρθεση.
Το εξιτόνιο ελέγχει ταυτόχρονα όλες τις πόρτες του προς το κέντρο αντίδρασης
Αυτό είναι κάτι που θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιήσουν οι φωτοσυνθετικές διεργασίες για τη μεταφορά του εξιτονίου στο κέντρο αντίδρασης.
Δεδομένου ότι το εξιτόνιο, ένα κβαντικό σωματίδιο, μπορεί να βρίσκεται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα, μπορεί να πάρει κάθε διαδρομή προς το κέντρο αντίδρασης ταυτόχρονα. Φανταστείτε αυτή τη διαδικασία σαν να σας έχουν πιάσει σε λαβύρινθο. Θα σας έπαιρνε λιγότερο χρόνο για να βγείτε από το λαβύρινθο, εάν μπορούσατε να χωρίσετε τον εαυτό σας σε πολλές διαφορετικές εκδοχές του εαυτού σας και να εξερευνήσετε κάθε διαδρομή ταυτόχρονα, αντί να εξερευνήσετε κάθε πιθανή διαδρομή μία κάθε φορά και, κατά συνέπεια, να χαθείτε.
Το εξιτόνιο βρίσκεται σε έναν λαβύρινθο και πρέπει να φτάσει στο κέντρο αντίδρασης, επομένως οι κβαντικές του ιδιότητες έρχονται στη διάσωση και του επιτρέπουν να βρίσκεται παντού ταυτόχρονα, και έτσι να βρει την ταχύτερη διαδρομή προς το κέντρο αντίδρασης.
Αλλά θυμάστε πώς είπα ότι η μέτρηση ενός κβαντικού σωματιδίου θα το ανάγκαζε να βρίσκεται μόνο σε ένα μέρος; Αυτή η μέτρηση στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα φωτόνιο που χτυπά το κβαντικό σωματίδιο (γι' αυτό το κενό είναι τόσο σημαντικό για να συμβαίνουν κβαντικά πράγματα στα εργαστήρια). Με φανταχτερούς κβαντικούς όρους, το φωτόνιο κάνει τη «συνάρτηση κύματος να καταρρεύσει» και το κβαντικό σωματίδιο αρχίζει να λειτουργεί σαν ένα βαρετό κλασικό σωματίδιο, που βρίσκεται σε ένα σημείο τη φορά.
Αυτή η αλλαγή από κβαντική σε κλασική ονομάζεται αποσυνοχή. Το αντίθετο είναι η συνοχή, όταν το κβαντικό σωματίδιο εξακολουθεί να δρα τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο και κάνει πολύ περίεργα κβαντικά πράγματα.
Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί φαίνεται να αποφεύγουν την αποσυνοχή
Τώρα, η ζωή είναι ακατάστατη και καυτή και γεμάτη με πάρα πολλά μόρια που αναπηδούν τριγύρω. Εύλογα θα περίμενε κανείς ότι όλα αυτά τα αναπηδώντας μόρια, για να μην αναφέρουμε τα φωτόνια του ηλιακού φωτός που πέφτουν βροχή, θα οδηγούσαν το εξίτον σε αποσυνοχή.
Ωστόσο, αν πρέπει να πιστέψουμε το έγγραφο του 2007 και τις επακόλουθες εργασίες στον τομέα, τότε ναι, τα φωτοσυνθετικά φύκια και τα βακτήρια καταφέρνουν να αποφύγουν την αποσυνοχή. Το πώς ακριβώς το κάνουν αυτό παραμένει το ερώτημα. Αυτή η ερώτηση σχετικά με τον μηχανισμό έχει κάνει πολλούς να αμφιβάλλουν αν η ζωή μπορεί να χρησιμοποιήσει καθόλου την κβαντική μηχανική!
Είναι υπερβολική η κβαντική μηχανική της φωτοσύνθεσης;
Υποθέτω ότι δεν μπορούμε να αποφύγουμε πια το κβαντικό
Ωστόσο, όπως με κάθε νέο και τολμηρό ισχυρισμό, έρχεται ο σκεπτικισμός και η διαμάχη. Η κύρια διαμάχη είναι για το πώς να ερμηνεύσουμε τα στοιχεία από τον πειραματισμό. Η εργασία του 2007 ερμήνευσε ορισμένους «παλμούς» που βρέθηκαν μέσω του πειραματισμού τους ως στοιχεία για την κβαντική συνοχή. Το 2013, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder αμφισβήτησαν ότι αυτοί οι «παλμοί» δεν ήταν στην πραγματικότητα απόδειξη κβαντικής δραστηριότητας. Αντίθετα, δεν ήταν παρά δονητικές ενέργειες των χρωματοφόρων. Κάθε μόριο έχει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας, με αποτέλεσμα να δονείται με τη δική του μοναδική συχνότητα. Η κλασική έναντι της κβαντικής ερμηνείας βρίσκεται στο επίκεντρο αυτής της συζήτησης.
Ακόμα κι έτσι, οι βιολογικές διεργασίες σπάνια είναι τόσο ασπρόμαυρες. Υπάρχει πιθανότητα, ενώ οι δονητικές ενέργειες είναι κυρίαρχες, μέρος του μηχανισμού μπορεί επίσης να είναι μέρος του κβαντικού πεδίου.
Στο τέλος, η κατανόηση του πώς ακριβώς τα φυτά μεταφέρουν την ενέργειά τους μπορεί να μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε νέες τεχνολογίες αιχμής, όπως η ηλιακή ενέργεια, ώστε να είμαστε ακόμα πιο αποδοτικοί.
