کشف ریشه‌های کوانتومی فرآیند فتوسنتز

 

پژوهش‌گران آزمایشگاه ملی آرگونه وابسته به وزات انرژی آمریکا و نیز آزمایشگاه تابشی نوتردام وابسته به دانشگاه نوتردام، به یاری روش‌های طیف‌‌نگاری فوق‌سریع، موفق به بررسی وقایعی شدند که طی همان نخستین مراحل فتوسنتز، در مقیاس‌های زیر اتمی رخ می‌دهد. “اگر فتوسنتز را یک رقابت ماراتن فرض بگیرید، ما درست حین لحظه‌ای که پای دوندهْ خط شروع را ترک می‌کند عکسی از وضعیت وی می‌گیریم”؛ این را دیوید تیه‌ده (David Tiede)، از بیوشیمی‌دانان آزمایشگاه آرگونه می‌گوید و می‌افزاید: “ما پتانسیل وقوع فعل و انفعالاتی فوق‌العاده اساسی‌تر از آنچه که مردم اکثراً تا پیش از این می‌دانسته‌اند را بررسی می‌کنیم”.

 

علی‌رغم ساز و کارهای متفاوتی که در گونه‌های متنوع گیاهی، جلبکی و باکتریایی، در نحوه جذب انرژی نوری به تکوین رسیده است، این موجوداتْ همگی در میزبانی از خصیصه‌ای موسوم به فتوسنتز مشترک‌اند. رنگ‌دانه‌ها و پروتئین‌هایی که در کانون فرآیند فتوسنتز پیدا شده‌اند، به این موجودات امکان تبدیل انرژی نورانی را می‌دهند.

 

مسئولیت جذب این انرژی به عهده مولکول‌های رنگ‌دانه‌ای، موسوم به «کروموفور» یا رنگ‌ساز است. به محض برخورد یک فوتون به هر سلول، یکی از الکترون‌های کروموفور‌ها برانگیخته می‌شود [و مدارش را به گرد هسته اتم، ترک می‌کند]. پژوهش‌گرانِ آزمایشگاه آرگونه در جریان تماشای گام نخست این فرآیند، چیزی را دیدند که هیچکس تا به آن زمان ندیده بود: اینکه ظاهراً یک فوتون منفرد امکان برانگیزش همزمانِ چندین کروموفور را دارد.

تیه‌ده در این‌باره می‌گوید: “فرآیندی که ما در اولین مراحل [فتوسنتز] موفق به تماشایش شدیم، نشان از وجود آمیز‌ه‌ای بسیار پیچیده‌تر از حالت‌های الکتریکی [در مقایسه با تصورات پیشین ما] می‌دهد. این معلوم می‌کند که سیستم‌های پیچیده زیستی چنان به فرآیندهای بنیادی فیزیک اتکا دارند که هیچکس تصورش را نمی‌کرد و یا حتی غیرممکن می‌نمود”.

 

به‌گفته گری ویدررشت (Gary Wiederrecht) از مرکز پژوهش‌های نانو وابسته به آزمایشگاه آرگونه، پدیده‌های کوانتومی ِ دیده‌شده طی این آزمایش نشان می‌دهند که فرآیندهای نورگیری وابسته به فتوسنتز، مؤثرتر از آن چیزیست که تا پیش‌ از این طی تحقیقات حوزه بیوفیزیک کلاسیک پیش‌بینی شده بود. او می‌گوید: “این تعجب‌مان را برانگیخت: چگونه طبیعت توانسته چنین راهکار فوق‌العاده ظریفی را پدید آورَد؟”

 

نتیجه این بررسی می‌تواند اثرات چشمگیری را بر تلاش شیمی‌دانان و متخصصین حوزه نانو در تولید مصالح مصنوعی و ابزارآلاتی داشته باشد که به تقلید از سیستم‌های طبیعی ِ میزبان فتوسنتز عمل می‌کنند. این پژوهش‌گران هنوز راه درازی را تا کسب قابلیت تولید ابزارآلات جاذب نور، آن‌هم با سطح بهره‌وری یک گیاه معمولی دارند.

 

تیه‌ده در اشاره به یکی از علل این ناتوانی می‌گوید آزمایش‌هایی که به‌شکل مصنوعی سعی در تقلید از فرآیندهای فتوسنتزی دارند، هنوز امکان کپی‌برداری دقیق از ماتریس مولکولی میزبان کروفومورها را نیافته‌اند. “سطح امکانات فعلی ما در تقلید از فرآیند فتوسنتز، محدود به تولید رنگ‌دانه‌ها و به‌هم‌چسباندن‌شان می‌شود؛ اما دیگر امکان کپی‌برداری از محیط پیرامونی‌شان را نداریم. گام بعدی، تولید همین چارچوب [مولکولی] است و شاید آن‌وقت حضور این پدیده‌های کوانتومی، بیشتر به چشم آید”.

 

از آنجاکه مدت‌زمان وقوع این پدیده کوانتومیْ فوق‌العاده کوتاه – یعنی کمتر از یک‌تریلیونیم ثانیه – است، دانشمندان از ابتدا کار سختی برای تعیین علل زیست‌شناختی و فیزیکی وقوع چنین فرآیندی پیش روی خود دارند. تیه‌ده در این‌باره می‌گوید: “مانده‌ایم این پدیده واقعاً از سر تصادف رخ داده یا ما پی به خصیصه‌ای ظریف و منحصربفرد از این مواد برده‌ایم. هر چه باشد، ما در شرف دست‌یابی به فرآیندهای بنیادینی هستیم که نخستین مرحله از فرآیند تبدیل انرژی طی پدیده فتوسنتز را رقم می‌زنند”.

 

گزارش این بررسی که با پشتیبانی دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا به ثمر رسیده، در نسخه آنلاین شماره دوازدهم مارس نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences انتشار یافته است.