(Şekil, yeşil sülfür bakterisinin ışık toplamasınn fotosentetik işleyişini göstermekte. Yeşil ve sarı renkte işaretlenmiş olan daireler aynı anda uyarılmış iki molekülü göstermekte. © Dr. Thomas la Cour Jansen/ Gröningen Üniversitesi.
Aralarında Groningen Üniversitesi’nden teorik fizikçi Thomas la Cour Jansen’nin de aralarında bulunduğu, dünya çapında birçok saygın bilim insanından oluşan bir ekip, fotosentezde yer alan moleküllerin, canlı olmayan maddeler ile aynı kuantum etkilerini sergilediğini keşfetti.
21 Mayıs’ta Nature Chemistry‘de yayımlanan çalışma, böylesi bir kuantum mekaniksel davranışın fotosenteze dahil olan biyolojik sistemlerde var olduğu ilk kez kanıtlanmış oldu. Fotosentezdeki kuantum efektlerinin iyi bir şekilde yorumlanması, doğadan esinlenilmiş ışık toplama cihazlarının geliştirilmesine yardım edebilir.
Son birkaç yıldır biyolojik sistemlerde kuantum mekaniğinin etkileri büyük bir tartışma konusuydu. Çalışmadaki temel fikir, elektronların gözlenene dek her iki durumda da bulunabilmesiydi. Bu olay, kuantum mekaniğindeki en popüler örneklerden biri olan Schrödinger’in Kedisi adı verilen, düşünsel olarak kurgulanan bir deney ile daha iyi bir şekilde anlaşılabilir. Deneyde, kedi içerisinde zehirli bir madde olan küçük bir şişe bulunan bir kutuya konulur ve kutu gözlemcinin görsel ipuçlarından yararlanarak bir yargıya varmaması için kapatılır. Eğer, kutunun içerisindeki şişenin kapağı kuantum mekaniği ilkelerine göre kapatılmışsa, şişenin kapağı hem açılmış hem de kapalılık halini koruyor olacak ve kutu içerisinde bulunan kedinin ölüp ölmediği ancak gözlemcinin kutuyu açmasıyla anlaşılacaktır. Yani, gözlemci kutuyu açıp içerisine bakana dek, kedi aslında hem “ölü” hem de “diri” olcaktır. Kısacası bu deney, elektronların en açık şekilde, nasıl bir davranış sergilediğini anlamamızı sağlayan güzel bir örnektir.
Titreşimler
Biliminsanları daha önceki çalışmalarda, bakterilerdeki ışıkla üretim mekanizmasında yer alan moleküllerin her iki durumda da eş zamanlı olarak uyarılabileceğini gösteren sinyaller buldukduklarını öne sürmüşlerdi. Her ne kadar deney kendi içerisinde kuantum mekaniksel etkilerin rolünü kanıtlamış olsa da, deneylerin tamamı ele alındığında, seviyenin uyarılmasının 1 pikosaniyeden (0.000 000 000 001 saniye) daha uzun sürdüğü iddia edilmiştir. Bu durum, kuantum mekaniği teorisinin temelilerinin öne sürdüğü süreden çok daha uzundur.
Jansen ve çalışma arkadaşlarının yayımlamış oldukları bu çalışma, bu deneyin aslında yanlış olduğunu gösteriyor. Jansen; “Bir önceki çalışmada kuantum etkileri olarak rapor edilmiş davranışların basit, molekül titreşimleri olduğunu gösterdik.” dedi. Ekip, tam da bu neden ile ünlü Schrödinger’in Kedisi fenomenini gözlemleyip gözlemleyemeyeceğini merak ederek araştırmalarına devam etti.
Süperpozisyon
Ekip, ölçümleri yapabilmek amacıyla ışık toplayan yeşil sülfür bakterileri üzerinde farklı ışık polarizasyonları kullandılar. Kullanılan bakteri, ışığa duyarlı yedi adet molekülden oluşan bir fotosentez sistemine sahiptir. Gelen foton, bu moleküllerden ikisini uyaracaktır ancak, ortaya çıkan enerji her iki molekülün de üzerine binecektir. Yani, kedinin hem ölü hem de diri olması durumdaki gibi, moleküllerin biri veya diğeri foton tarafından uyarılacaktır. Jansen; “Bu gibi süperpozisyon olan durumlarda, spektroskopik analizler yapıldığında spesifik bir salınım sinyalinin görülmesi gerekir ve bizim gördüğümüz de tam olarak buydu! Dahası, kuantum etkilerinin tam da teoride öngörüldüğü kadar sürdüğünü ve bu kuantum etkilerinin süperpozisyon durumunda olan iki molekülün üzerine aynı anda enerjiden dolayı olduğunu kanıtlamış olduk” diye belirtti. Yani Jansen ve ekibi, biyolojik sistemlerin tıpkı biyolojik olmayan sistemler gibi kuantum mekaniksel etkiler gösterdiği sonucuna varıyorlar.
Bu araştırma projesi için geliştirilen teknikler, hem biyolojik hem de biyolojik olmayan birçok farklı sistem üzerine uygulanabilir. Jansen sonuçlardan memnun olduğunu söylüyor ve; “Bu, kuantum mekaniğinin büyüleyici dünyasıyla ilgilenen herkes için gerçekten çok ilginç bir gözlem. Üstelik bu deneyin sonuçları, güneş enerjisinin depolanması veya kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi gibi konularda büyük bir rol oynayabilir” diyor.
KAYNAK:https://phys.org/news/2014-01-quantum-mechanics-efficiency- photosynthesis.html
https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2018/05/23/fotosentezde-kuantumun-etkileri-gozlemlendi/
