Kvantová biologie?!

Magické formule odvozené od základového slova „quantum“ jsou bezesporu klíčem k získání grantu na vlastní výzkum stejně jako předpona „nano-“, „cancer“ nebo také „renewable energy“. Možná, že už Vám to „leze na nervy“, když občas kolem sebe můžete slyšet kvantové hlášky pseudo-vědců a léčitelů nabízejících vyšetření na kvantových přístrojích, provádějících terapii kvantovým unášením nebo slibujících uzdravení kvantovou homeopatií – ani bych se Vašemu rozčarování nedivil a mám pro Vás pochopení. Bezpochyby se jedná o metody s vysokou kvantovou výtěžností* v tunelování** peněz, ale to nechme stranou.

Možná zklamu zatvrzelé skeptiky, ale obor kvantová biologie opravdu existuje a dnes dokonce můžeme říct, že stojí na solidních vědeckých základech. Již jeden ze zakladatelů kvantové teorie, Erwin Schrödinger, spekuloval v díle „What is Life?“ nad dopady mechaniky mikrosvěta na projevy života, kteréhož podstatu studujeme především na molekulární úrovni – proto se nabízí ono zamyšlení. Abyste mi mohli věřit, podívejme se v tomto seriálu postupně na několik nejznámějších a velice zajímavých aplikací kvantové teorie v živých vědách, kterým budou věnovány následující díly:

  • Kvantová koherence při fotosyntéze
  • Vytunelované mutace
  • Migrace ptactva díky kvantovému provázání aneb Neuvěřitelné kryptochromy
  • Enzymy jako kvantové katalyzátory
  • Teorie kvantového vědomí

 

Díl 1. „Kvantová koherence při fotosyntéze“

Fotosyntézu všichni dobře známe, nebo jsme o ní alespoň někdy slyšeli. Že by hrála kvantová mechanika při tomto procesu nějakou významnou roli? Ještě v takových podmínkách, jako panují v buňkách? S rušivými vlivy by snad nebyl problém, někdy to naopak může jistým procesům pomoci (viz stochastická rezonance), jak se dozvíte dále. A navíc pohlcení energie za excitace elektronů zní samo o sobě jako dobrý základ, na kterém můžeme rozvést úvahu o kvantových procesech během fotosyntézy. Tak se na to tedy podívejme.

Světlosběrné komplexy (složené z proteinů, chlorofylů, karotenoidů aj.) slouží k pohlcování energie světelného záření, a tu pak předávají do tzv. reakčního centra, kde dochází k jejímu dalšímu využití. Právě tohle se odehrává ve fotosystémech zanořených do thylakoidní membrány chloroplastu [1].

Transport energie do RC během fotosyntézy
Cesta energie fotonu do reakčního centra fotosystému

Fotosystémy obsahují molekuly schopné pohlcovat viditelné záření, kterým se říká pigmenty neboli chromofory. Především se jedná o hlavní fotosyntetické pigmenty (chlorofyly a bakteriochlorofyly) a dále doprovodné fotosyntetické pigmenty (karotenoidy a fykobiliny). Každý z těchto pigmentů díky své zvláštní elektronové struktuře (rozsáhlému π-delokalizovanému systému) pohlcuje určitou část energie z viditelného spektra slunečního záření, čímž dojde k excitaci jeho valenčních elektronů. Pokud spojíme zmiňované pigmenty s neméně důležitými proteiny, dostaneme tzv. světlosběrný anténní systém, který pomáhá doručovat sluneční energii do reakčních center fotosystému. Podrobněji to vypadá asi takto: excitony (excitované stavy molekul) jsou v řádu pikosekund převedeny rezonančním energetickým přenosem zprostředkovaným tímto „molekulárním kabelem“ sestaveným ze světlo-absorbujících molekul do reakčního centra fotosystému, které takto shromažďuje energii ze svého okolí. Přitom se absorbovaná sluneční energie nachází na více místech naráz, čímž může cestovat do reakčního centra po všech realizovatelných cestách. Nejedná se tedy o žádné „zmatené pobíhání“ uvolněných elektronů, které si náhodně vytipují svůj směr na cestě pigment-proteinovými komplexy, nýbrž o evolučně vydobytý kvantový přenos uskutečňovaný všemi možnostmi najednou. Řečeno ještě jinými slovy: jeden foton může excitovat různé pigmenty ve stejném čase.

Světlosběrný komplex
Světlosběrný komplex: zeleně a modře chlorofyly, žlutě β-karoten, bíle proteiny

A jsme u toho! Vysoce sofistikované a nadmíru náročné experimenty (femtosekundová spektroskopie a krystalová strukturní analýza) se zaměřily právě na tyto děje a prokázaly, že dochází ke kvantové koherenci během přenosu energie fotonů. To znamená, že se elektrony chromoforů excitují naráz (tzn. ve stejné fázi) a stejnou energií za vytvoření zmíněných excitonů. Tyto procesy pomáhají k přenosu světelné energie na delší vzdálenost. Jinak by se na této cestě energie vytratila. Přenos sám se uskutečňuje díky vibracím chromoforů, které nelze popsat klasickou fyzikou. Také prostorová orientace a pohyby chromoforů hrají důležitou roli. Tepelné rušivé vlivy v tomto případě podporují neklasické chování systému během přenosu energie (viz kvantová stochastická rezonance). To ale není všechno ze světa kvantové fyziky, co se manifestuje během fotosyntézy. Dále bylo totiž zjištěno, že chromofory jsou kvantově provázané mezi sebou (tzv. entanglované), a proto také dochází ke koordinovanému nelokálnímu přenosu energie. Oba děje, kvantová koherence i kvantové provázání (tzn. entanglement), fungují na nelokálním principu a jsou matematickými operacemi ekvivalentní, což nám umožňuje studovat jeden děj na základě druhého, ale mají odlišný koncept. Koherence se týká vln a entanglement zase částic. Protože se energie ze světla přenáší do reakčního centra ve formě delokalizovaných excitovaných elektronů prostřednictvím rezonance mezi chromofory, mluví se častěji o koherenci. Co dalšího je na tom fascinujícího je to, že se tahle kouzla odehrávají za fyziologické teploty.  Fotosyntetizující organismy tak mohou využít dostupnou světelnou energii s účinností až nad 90 % [2;3;4].

Co všechno se skrývá v listu
Co všechno se skrývá v listu?

Srdečně doufám, že Vás tento mezioborový článek neodradil a že Vás i něčím obohatil, třeba velice pozoruhodným a zatím ještě netradičním pohledem na životně důležité procesy během fotosyntézy. Nelze zabíhat do podrobností, protože se jedná o vysoce komplexní téma, proto zájemce odkazuji na citovanou literaturu. V příštím díle seriálu Kvantová biologie?! se zaměříme na vznik mutací v důsledku tunelování protonů (zatím můžete přemýšlet, co mají tyto pojmy společného, a budeme rádi, když nám napíšete své názory i do diskuze k článku).

Tomáš Heger, 4. B

 

Poznámky:

* viz quantum yield (Φ)

** viz quantum tunneling  

 

Reference:

Obrázek 1: Turning plants into power houses. WASHINGTON UNIVERSITY IN ST. LOUIS. Newsroom [online]. 2014 [cit. 2015-08-31]. Dostupné z: http://news.wustl.edu/news/Pages/22218.aspx

Obrázek 2: Juergen Koepke, Xiche Hu, Cornelia Muenke, Klaus Schulten, and Hartmut Michel. The crystal structure of the light harvesting complex II (B800-850) from Rhodospirillum molischianum. Structure, 4:581-597, 1996.

Obrázek 3: Download texture: green leaf, download photo, texture, green leave texture, background. Bgfons [online]. 2012 [cit. 2015-09-02]. Dostupné z: http://bgfons.com/download/1230

[1] SOBOTKA, Roman. Přelomový výzkum odhalil, jak rostliny přeměňují přebytky světelné energie na teplo. CENTRUM ALGATECH: Mikrobiologický ústav AV ČR, v.v.i. [online]. 2014 [cit. 2015-08-28]. Dostupné z: http://www.alga.cz/c-361-aktuality.html

[2] Quantum Biology: ‚state-of-the-art‘. QuBioT2 [online]. 2014 [cit. 2015-08-28]. Dostupné z: http://www.qubiot.com/research_13.html

[3] ZYGA, Lisa. Physicists find quantum coherence and quantum entanglement are two sides of the same coin. Phys.org[online]. 2015 [cit. 2015-08-31]. Dostupné z: http://phys.org/news/2015-06-physicists-quantum-coherence-entanglement-sides.html

[4] SAROVAR, M., A. Ishizaki, G. R. Fleming a K. B. Whaley. Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes. Nature Physics. 2010, 6(6): 462–467. DOI: 10.1038/nphys1652.

Napsat komentář