lauantai 22. kesäkuuta 2013

Fotosynteesin kvanttimekanismin jäljillä


Fotosynteesissä valon (fotonien) energia otetaan talteen erittäin tehokkaasti. Muutamassa triljoonasosa (miljoonan 3. potenssi) sekunnissa 95% valoenergiasta on siirretty eteenpäin solun aineenvaihdunnan käyttöön. Nykyiset aurinkopanelit kykenevät ottamaan talteen vain 20 % valoenergiasta. Miksi fotosynteesi on niin tehokas?

Fotosynteesissä fotonien energian ottaa talteen ja siirtää eteenpäin erityiset antenniproteiinit.  Nämä hämmästyttävät proteiinit toimivat kvanttikoneina ja ne käyttävät kvanttimekaniikkaa myös energian siirtoon reaktiokeskuksiin.

Useat tutkimusryhmät ovat havainneet, että tämä erittäin tehokas energian talteenotto ja siirto perustuu kvanttimekaniikkaan. Tähän mennessä kukaan ei kuitenkaan ole suoraan havainnut tämän kvanttimekanismin vaikutuksia huoneen lämpötilassa.

ICFO:n (Institute of Photonic Sciences, Barcelona) ja Glasgow:n yliopiston tutkijat ovat ensimmäistä kertaa kyenneet osoittamaan, että fotosynteesin kvanttimekanismi tekee siitä ympäristön häiriöitä paremmin sietävän energiansiirtomekanismin. Valoenergiaa talteenottavissa ja sitä siirtävissä antenniproteiineissa tapahtuu koherenssiksi kutsuttu kvanttimekaaninen ilmiö. Havainnosta kertova tutkimus on julkaistu Science-tiedelehdessä.

Professori Niek van Hulstin johtama tutkimusryhmä kehitti täysin uuden havaintomenetelmän, koska energiansiirto fotosynteesissä on erittäin nopeaa ja se tapahtuu molekyylitasolla. Tutkijat käyttivät räätälöityä huippunopeaa spektroskopiaa, jonka avulla he kykenivät havaitsemaan yksittäisten antenniproteiinien tiloja fotonin energian talteenoton jälkeen.

"Me olemme kyenneet havaitsemaan ennennäkemättömällä tarkkuudella kuinka energia siirtyy fotosynteesijärjestelmässä. Tämän ansiosta saatoimme havaita kvanttiefektien merkittävän roolin fotosynteesissä," kertoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Richard Hildner.

Van Hulstin tutkimusryhmä on osoittanut, että kemiallisesti identtiset erilliset antenniproteiinit käyttävät erilaisia energiansiirto reittejä. Hämmästyttävin havainto oli se, että sama proteiini käytti erilaisia reittejä ympäristöolosuhteiden mukaan, ilmeisesti tehokkuuden optimoimiseksi.

"Nämä havainnot osoittavat, että fotosynteettisten järjestelmien tehokkuus perustuu kvanttikoherenssiin, vaikka ne lisäksi kykenevät optimoimaan energiansiirtoaan ympäristöolosuhteiden mukaan," van Hulst toteaa.

Uutistekstin mukaan nämä tulokset herättävät mielenkiintoisia kysymyksiä. Onko evoluutio tuottanut kvanttiefektin fotosynteesiin tehokkuuden maksimoiseksi eli valikoituiko kvanttiefekti muiden mekanismien joukosta? Ja onko luonnossa muita kvanttimekaniikkaan perustuvia ilmiöitä?

Fotosynteettisten antenniproteiinien kvanttimekaniikkaan perustuva toiminta tarjoaa äärimmäisen tehokkuuden yhdistettynä toimintaympäristön mukaiseen optimointiin. Tämä havainto saattaa myös auttaa insinöörejä kehittämään entistä tehokkaampia luonnon kvanttiefektiä jäljitteleviä aurinkopaneeleja.

Tämä uusi tutkimustulos todellakin herättää mielenkiintoisen kysymyksen. Onko sattumaan perustuva evoluutio todellakin voinut tuottaa huipputehokkaan ja erilaisiin ympäristölosuhteisiin mukautuvan kvanttimekaanisen valoenenergian talteenottotavan? Evoluutioteorian mukaan [parhaiten menestyvät] eliöt sopeutuvat uusiin ympäristöolosuhteisiin. Fotosynteesissä ympäristöolosuhteet on jo huomioitu. Mitään ei ole jätetty sattuman (ja luonnonvalinnan) varaan. Tällaista kaukonäköisyyttä voisi odottaa hyvältä suunnittelijalta.

Fotosynteesi päihittää tehokkuudessaan kaikki etevimpienkin insinööriemme aivoitusten tuotokset ja insinöörien on pakko kääntää katseensa luontoon, mikäli he haluavat päästä edes lähelle fotosynteesin energiatehokkuutta. Voiko tällainen järjestelmä, jonka tuottaminen on vain haavekuva insinööreille, olla sattuman ja luonnonvalinnan tulosta?

Ja luonnossa on muitakin kvanttimekaniikkaan perustuvia ilmiöitä.




Lähde:

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-06/iiop-uqs061813.php


Ei kommentteja:

Lähetä kommentti