A tudósok a növények vizsgálatakor olyan elképesztő felfedezést tettek, amely dacol korábbi tudományos ismereteinkkel, és egyben létrehozta a kvantum-biológia tudományágát.

Bár azt mindannyian tudjuk, hogy a növények nélkülözhetetlenek a földi ökoszisztémában – nélkülük nem lenne oxigén a légkörben, nem létezne a tápláléklánc, és persze mi sem – mégis, jelenlétük olyannyira közönséges és megszokott, hogy hajlamosak vagyunk megfeledkezni erről mindennapjainkban. Pedig még a legutolsó, árva kis fűszál is megannyi csodálatos és lélegzetelállító titkot őriz évmilliárdok óta, amelyek közül néhányat csak most kezdünk egyáltalán felfogni.
 
 
2010-ben legalább két független kutatócsoport is arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézis során a fény felhasználásának kvantum-hatékonysága egyszerűen lehetetlenül magas – túl kicsi a hő, ill. kisugárzott fluoreszencia energia-veszteség a folyamatban.
 
Valami más, rejtélyes jelenség kell, hogy megalapozza a 95-98 %-os kvantum-hatékonyságot (szemben a napelemeink 10-15 %-os csúcsteljesítményével) – de mi lehet az? A tudósok elképesztő felfedezést tettek, amely egyben lértehozta a kvantum-biológia tudományágát.
 
De miről is van szó pontosan? A jelenség megértéséhez egy cseppnyi (klasszikus) biológiát kell némi fotokémiával kevernünk, merész ízlésvilágot tükröző kvantumfizikával fűszerezve. Ez elég egzotikusan hagzik, de ne ijedjünk meg tőle!
 
A fotoszintézis fény-szakasza
 
A fotoszintézis legelső, ún. "fény-szakaszában" a növények és a klorofillt tartalmazó baktériumok zöld pigmentjei elnyelik a vörös és a kék fény kvantumait (a fotonokat), és az általuk hordozott energiát továbbítják azokat az ún. "reakció-centrumokba", ahol az élettani folyamatok kémiája megkezdődik.
 
A fény elnyelése a levél felszínén az ún. "antenna-komplexumkoban" történik, amelyek végső soron maguk is a klorofill-molekulák csoportjai, de fehérjeláncaik kapcsolódásai nem teszik lehetővé, hogy egymagukban értékesítsék (közvetlenül felhasználják) a beérkező foton energiáját. Ehelyett a fényt befogó molekula elektronjai a gerjesztés hatására a környezetükénél magasabb energiaállpotba kerülnek, amelyből alapvetően háromféleképpen tudnak visszaállni eredeti állapotukba –
 
A) Maguk is (fluoreszcens) fényt bocsájtanak ki, és a foton kibocsájtása során az elektronjuk "visszaesik" az alacsonyabb energiaállapotú héjra,
 
B) Az energia-többlet hővé alakul (a növény vagy fotoszintetizáló baktérium felmelegszik),
 
C) A többlet-energiát átadják a szomszédos klorofill-molekuláknak, amíg az el nem jut az ún. "reakció centrumokba", ahol két speciális klorofill-molekula "csapdába ejti", kivonja a magasabb energiaállpotú elektront a folyamatból, elkülöníti azt a felszíni "antenna-komplexumoktól", így véget vet a láncreakciónak és innentől megkezdődhet a szintézis kémiai része.
 
Természetesen a fotoszintézis szempontjából csak a legutolsó lehetőség "hasznos", mivel életttanilag csak ebből nyerhet kémiai energiát biológiai folymatainak fenntartásához. Éppen ezért a fotoszintézis fény-szakaszának egyik legfontosabb minőségi jellemzője, ún. "kvantum-hatékonysági mutató" – amely végső soron azt adja meg, hogy a beérkező fotonok hány %-a vált ki fotokémiai reakciót (vagyis jut el felhasználható módon az antenna-klorofillokból a reakcióközpontokba).
 
A tudósokat már korábban is ámulatba ejtette, hogy milyen döbbenetesen magas a növények, ill. zöld algák, baktériumok ilyen értelemben vett "kvantum-hatékonysági mutatója" – kiderült ugyanis, hogy a beérkező (elnyelt) fotonok energiájának legalább 95-98 %-a jut el a befogástól a felhasználás első fázisáig.
 
Figyelmbe véve, hogy milyen távol vannak a reakció-centrumok a pigmentektől (antenna-komplexumoktól), és hogy milyen kevés van belőlük a fényt elnyelő klorofill-molekulákhoz képest, szinte érthetetlennek tűnt hogy miért nem "veszik el" a fotonok energiájának döntő hányada hőként és/vagy fluoreszcens, kisugárzott fényként a továbbítás során – eddig.
 
Kísérleti vizsgálatok és bizonyítás
 
A kutatók a jelenséget az egyik legegyszerűbb és legjobban ismert kémiai felépítésű, fotoszintézist végző, zöld kénbaktériumok családjába tartozó élőlényen vizsgálták úgy, hogy az annak felszínén lévő klorofill antenna-komplexum egy-egy kiválaszott molekuláját precíziós, hihetetlenül rövid ideig tartó (femtoszekundumos) lézer-impulzussal besugározták (szimulálva a napfény hatását), és utána egy ultragyors érzékelési eljárással, az ún. kétdimenziós elektronikus spektroszkópiával vizsgálták az energiaszintek "szétterjedését", illetve átadódását a szomszédos klorofill-molekulák között.
 
Nem kis meglepetésükre azt tapasztalták, hogy az elnyelt foton energiája gyakorlatilag "azonnal", vagyis mérhető időkülönbség nélkül jelent meg a messzebb lévő klorofill-molekulákban is, a fénysebességet, illetve a pigmentek térbeli távolságát láthatóan figyelmbe sem véve. A kutatók úgy fogalmaztak – "olyan, mintha az elnyelt foton energiája egyszerre jelent volna meg mindenhol, késleltetés nélkül" (vagyis minden környező antenna-komplexumban), noha csak az egyiküket érte a lézer-impulzus.
 
Mai, éppen hogy csak felismert (józan ésszel alig felfogható) fizikai ismereteink alapján mindez csak egyféleképpen lehetséges – a térben jól elkülönülő klorofill-molekulák kvantumfizikai szinten összefonódott részecskepárokból állnak, illetve ilyeneket tartalmaznak.

Másképp megfogalmazva – ugyanazon részecskék manifesztációi egyszerre vannak jelen több térbeli helyen a növény vagy zöld alga (fotoszintetizáló élőlény) levelének (testének) felszínén, a fény-szakasz vizsgált biológiai felépítésében egyránt.

 
Forrás és az eredeti mérés jegyzőkönyvek – "Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes", Nature Physics, 2010; DOI: 10.1038/nphys1652.
 
A felfedezés jelentősége
 
Az hogy egy részecske (fény-foton, elektron, stb.) egyszerre több, független helyen lehet jelen a térben, önmagában is nehezen felfogható, és kísérleti bizonyítása is csak a legutóbbi években sikerült. Még megdöbbentőbb – ahogy erről már korábbi cikkünkben is írtunk – a részecskepárok bármelyikének állapotának megváltozása (pl. mérés által) azonnal annak ikertestvér-párjának megváltozásához vezet, időbeli késleltetéstől és fénysebességtől, térbeli távolságtól függetlenül.
 
A kísérleti bizonyítások hihehetlenül precízen és szigorúan kontrollált, labortóriumi körümények között sikerültek, szinte tökéletesen zaj- és hőmérsékleti behatásoktól mentes (ideális) kvantum-optikai közegekben, ezért nagyon sok kutató úgy vélte – a kvantum-összefonódás és annak bizarr, józan észnek ellentmondó tulajdonságai a természetben ritkán vagy szinte soha nem fordulhatnak elő, így vizsgálatuk ugyan érdekes, ám mindez nem sok hatással lehet mindennapi életünkre.
 
Ennél nagyobbat láthatóan nem is tévedhettünk volna! A 2010-ben zajló kutatások vezető tudósai éppen ezt emelték ki kommentárjaikban.
 
"A kvantum-összefonódás ill. korreláció ilyen kimagasló aránya eddig szinte elképzelhetetlennek tűnt szobahőmérsékleten, élő biológiai közegekben, ahol a folytonosan lezajló kémiai és biológiai reakciók milliárdjai, illetve a hőmérsékleti entrópia zavaró hatásai miatt senki nem számított ilyesmire" – nyilatkozták.
 
Mindez végső soron úgy értelmezhető, hogy a kvantumfizikai szinten létező összefonódottság egyáltalán nem kivételes és ritka, hanem – egyenesen természetes és gyakori jellemzője a növény-élettannak. És ha a növényekre jellemző, miért ne lenne lehetséges feljlettebb élőlények esetében is? Miért korlátozódna csupán néhány klorofill-molekulára? Lehetséges, hogy ennél sokkal többről van szó?

Forrás: idokep.hu