Úgy tűnik, a fotoszintézistől a navigációig, az élet lehet, hogy kihasználja a kvantumhatásokat

A növényi sejtekben lévő kloroplasztiszok a fotoszintézis központjai-és a kvantum furcsaság központjai is?

Csábító bizonyítékok arra utalnak, hogy egyes baktériumok fotoszintézise és a madarak elképesztő navigációja a kvantum koherenciától függ.

A kérdésre, hogy az élet használja-e a kvantumhatásokat, az egyik válasz: Miért ne tenné? Minden élet úgy fejlődött, hogy kihasználja a világot, amiben találjuk magunkat, tehát a kvantumhatások varázslata miért lenne tilos terület? Elvégre az olyan jelenségek, mint a kvantumösszefonódás vagy a kvantumugrás (amikor a kvantum objektumok erőfeszítés nélkül keresztülhaladnak olyan energiagátakon, melyeken látszatra nem volnának képesek) hasznos túlélő eszközöknek tűnnek.

Az ellenév az, hogy a biológusok azt mondják, az élő organizmusok vizesek, melegek és nagyon, nagyon zajosak: molekuláik ugrándoznak és folyadékaik áramlanak, olyan környezetet teremtve, hol a dekoherencia jelensége legyőzi a kvantumhatásokat. Az utóbbi években azonban képesek vagyunk feltérképezni a finom kapcsolatokat a sejteken belüli atomok és molekulák közt – és találtak néhány kecsegtető nyomot arra, hogy az élet lehet, hogy valóban kihasználja a kvantum furcsaságokat.

Vegyük a fotoszintézist (a folyamat, amivel a növények és néhány baktérium a napfényt kémiai energiává konvertálja). A reakció úgy indul, hogy fotonok gerjesztik a klorofill molekulában lévő elektronokat, hogy kvázi részecskéket, excitonokat generáljanak – energia csomagokat, amik úgy mozognak körbe, mintha részecskék volnának. Ezek körbe ingáznak, míg reakció központokat találnak, ahol energiájuk elfogásra kerül és tárolódik. De az excitonok menet közben energiát veszítenek, így a kutatók azon tűnődnek, vajon képesek lehetnek-e a kvantumhatásokat használni, hogy szimultán kipróbáljanak minden utat és csak a leghatékonyabbat használják.

Vegyük a fotoszintézist (a folyamat, amivel a növények és néhány baktérium a napfényt kémiai energiává konvertálja). A reakció úgy indul, hogy fotonok gerjesztik a klorofill molekulában lévő elektronokat, hogy kvázi részecskéket, excitonokat generáljanak – energia csomagokat, amik úgy mozognak körbe, mintha részecskék volnának. Ezek körbe ingáznak, míg reakció központokat találnak, ahol energiájuk elfogásra kerül és tárolódik. De az excitonok menet közben energiát veszítenek, így a kutatók kíváncsiak, vajon képesek lehetnek-e a kvantumhatásokat használni, hogy szimultán kipróbáljanak minden utat és csak a leghatékonyabbat használják.

Egészen biztosan, a kvantum koherencia e jelenségét megfigyelték a zöld kénbaktérium és a tengeri alga klorofill molekuláiban fiziólógiai hőmérsékleteken. De csak mert a kvantumhatásokat érzékelték élő dolgokban, nem jelenti, hogy ez evolúciós hasznot biztosít. „A koherencia fontossága a fotoszintézisben sokkal finomabb, mint eredetileg gondoltuk. Kevésbé bizonytalan példákra van szükség." - mondja Gregory Scholes a Princeton Egyetem kutatója, aki néhány kezdeti kísérletet vezetett.

A növényi sejtekben lévő kloroplasztiszok a fotoszintézis központjai-és a kvantum furcsaság központjai is? Forrás: https://www.newscientist.com/article/mg25133493-100-from-photosynthesis-to-navigation-life-may-exploit-quantum-effects/

Egészen biztosan, a kvantum koherencia e jelenségét megfigyelték a zöld kénbaktérium és a tengeri alga klorofill molekuláiban fiziólógiai hőmérsékleteken. De csak mert a kvantumhatásokat érzékelték élő dolgokban, nem jelenti, hogy ez evolúciós hasznot biztosít. „A koherencia fontossága a fotoszintézisben sokkal finomabb, mint eredetileg gondoltuk."- mondja Gregory Scholes a Princeton Egyetem kémia professzora, aki néhány kezdeti kísérletet vezetett. Kevésbé bizonytalan példákra van szükség, mondja. Ez lehet, hogy költöző madárfajokból kerül ki, akiknek különleges navigációs képességük kulcsfontosságú a túlélésükhöz.

Van rá néhány bizonyíték: ismert, hogy a kriptokróm érzékenysége növekszik, amikor a madarak költöznek, és ezek a proteinek nyilvánvalóan hiányoznak a csirkékből, melyek alig repülnek és így nincs szükségük erre a képességre. Júniusban Jingjing Xu a németországi Oldenburg Egyetem biológusa és kollégái demonstrálták, hogy az erurópai vörösbegy szemeiben lévő kriptokróm mágnesesen érzékeny. Ez nagyon sokatmondó, de a kísérleteket teszt tubusokban lévő folyadékban szuszpendált proteineken végezték és lehetséges, hogy a madarak szemében másként reagálnak. Pillanatnyilag még keresik a világos kvantum mechanikai példát, mely a növényeknek, vagy állatoknak evolúciósan dominanciát biztosít.

Néhány madár, mint például a galambok, rendelkeznek egy kis mágnes darabbal a csőrükben, mely tájolóként funkcionál, lehetővé téve, hogy a madár tudja merre van észak és dél. Más madarak, mint például. a vörösbegy, egy másféle mechanizmussal rendelkeznek, mely érzékeli a Föld mágneses mezejét. Ez a mechanizmus lehetővé teszi a madaraknak, hogy meghatározzák a Föld mágneses vonalait, de nem különbözteti meg az északot a déltől, ezt a mechanizmust csak a kék, vagy zöld fény aktiválja és kicsit az egy megaherz feletti oszcilláló tér megzavarja, az elektron Larmor frekvenciájánál (Larmor frekvencia: töltéssel rendelkező részecskék precessziója mágneses térben) a Föld mágneses mezejében. Ezeket a jellemzőket nehéz megmagyarázni a klasszikus fizikai mechanizmusokkal. Az egyetlen ismert mechanizmus, ami konzisztens ezekkel a jellemzőkkel a kvantummechanika.

(Forrás: New Scientist, Journal of Physics)