Moleculen die betrokken zijn bij fotosynthese vertonen dezelfde kwantumeffecten als niet-levende materie, concludeert een internationaal team van wetenschappers waaronder RUG-theoretisch natuurkundige Thomas la Cour Jansen. Dit is de eerste keer dat bewezen is dat kwantummechanisch gedrag bestaat in biologische systemen die betrokken zijn bij fotosynthese. De interpretatie van deze kwantumeffecten in fotosynthese kan helpen bij de ontwikkeling van op de natuur geïnspireerde apparaten voor het oogsten van licht. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurchemie op 21 mei.

Sinds een aantal jaren, er is een discussie geweest over kwantumeffecten in biologische systemen. Het basisidee is dat elektronen in twee toestanden tegelijk kunnen zijn, totdat ze worden waargenomen. Dit kan worden vergeleken met het gedachte-experiment dat bekend staat als de kat van Schrödinger. De kat zit opgesloten in een doos met een flacon met een giftige stof. Als de dop van de flacon is vergrendeld met een kwantumsysteem, het kan tegelijkertijd open of gesloten zijn, dus de kat bevindt zich in een mengsel van de toestanden "dood" en "levend, " totdat we de doos openen en het systeem observeren. Dit is precies het schijnbare gedrag van elektronen.

trillingen

Bij eerder onderzoek is wetenschappers hadden al signalen gevonden die suggereren dat licht-oogstende moleculen in bacteriën gelijktijdig in twee toestanden kunnen worden geëxciteerd. Op zichzelf bewees dit de betrokkenheid van kwantummechanische effecten, maar in die experimenten, die aangeslagen toestand duurde vermoedelijk meer dan 1 picoseconde (0.000 000 000 001 seconde). Dat is veel langer dan je op basis van de kwantummechanische theorie zou verwachten.

Jansen en zijn collega's laten in hun publicatie zien dat deze eerdere observatie onjuist is. "We hebben aangetoond dat de kwantumeffecten die ze rapporteerden gewoon regelmatige trillingen van de moleculen waren." Daarom, het team zette de zoektocht voort. "We vroegen ons af of we die situatie met de Schrödingerkat misschien zouden kunnen observeren."

Superpositie

Ze gebruikten verschillende polarisaties van licht om metingen uit te voeren in licht oogstende groene zwavelbacteriën. De bacteriën hebben een fotosynthetisch complex, opgebouwd uit zeven lichtgevoelige moleculen. Een foton zal twee van die moleculen exciteren, maar de energie is op beide gesuperponeerd. Dus net zoals de kat dood of levend is, het ene of het andere molecuul wordt geëxciteerd door het foton. "In het geval van zo'n superpositie, spectroscopie moet een specifiek oscillerend signaal laten zien, " legt Jansen uit. "En dat is inderdaad wat we zagen. Verder, we vonden kwantumeffecten die precies zo lang duurden als je op basis van theorie zou verwachten en bewezen dat deze behoren tot energie die op twee moleculen tegelijk is gesuperponeerd." Jansen concludeert dat biologische systemen dezelfde kwantumeffecten vertonen als niet-biologische systemen.

De voor dit onderzoeksproject ontwikkelde observatietechnieken kunnen worden toegepast op verschillende systemen, zowel biologisch als niet-biologisch. Jansen is blij met het resultaat. "Dit is een interessante observatie voor iedereen die geïnteresseerd is in de fascinerende wereld van de kwantummechanica. Bovendien, de resultaten kunnen een rol spelen bij de ontwikkeling van nieuwe systemen, zoals de opslag van zonne-energie of de ontwikkeling van kwantumcomputers."