Efekty kwantowe w układach biologicznych
W niedawno przeprowadzonych doświadczeniach, korzystając z ultraszybkich technik spektroskopowych, udało się zgłębić procesy biochemiczne w żywych organizmach. W ramach finansowanego przez UE projektu QUANTUM BIOTECH (Quantum phenomena in biology: Theory and experiments towards novel solar energy quantum technologies) naukowcy przyjrzeli się zjawisku fotosyntezy. Podczas tego procesu energia przenoszona przez fotony jest absorbowana przez wychwytujące światło anteny. Wzbudzenie elektroniczne każdej anteny jest przekazywane do ośrodka reakcji, w którym rozdzielenie ładunku prowadzi do bardziej stabilnych form energii chemicznej. Badacze opracowali modele teoretyczne tego transferu energii. W szczególności zespół QUANTUM BIOTECH wykorzystał formalizm teoretyczny stochastycznych ścieżek kwantowych w celu opisania transferu energii do ośrodka reakcji poprzez duże struktury złożone. U zielonych bakterii siarkowych zebrane fotony są przenoszone przez kompleks barwnikowo białkowy FMO (Fenna-Matthewsa-Olsona). Niezwykła jest dająca się zaobserwować wydajność kompleksu FMO, jako że niemal każdy obserwowany foton jest z powodzeniem przenoszony do ośrodka reakcji. Jednocześnie naukowcy przyjrzeli się możliwości ulepszania takich procesów pozyskiwania światła przy użyciu spójnych źródeł promieniowania. W procesie fotosyntezy fotony uderzają w receptory zwane chromoforami, które produkują ekscytony. Te kwantowe cząstki energii przeskakują z jednego chromoforu na kolejny, do czasu aż dostaną się do ośrodka reakcji, gdzie ich energia jest wykorzystywana do budowy cząsteczek niezbędnych do życia. Ekscytony podążają przypadkowymi ścieżkami, chyba że mają miejsce efekty kwantowe, umożliwiające im podążanie kilkoma jednocześnie i wybranie najlepszych. Naukowcy inżynieryjnie stworzyli wirusa zdolnego do dwukrotnego zwiększenia szybkości ekscytonów, co wyraźnie poprawia wydajność tego procesu. Dokładniej mówiąc, stworzyli wiele odmian tego wirusa, które łączą się z wieloma syntetycznymi chromoforami, w tym z barwnikami organicznymi. Wybrane wirusy miały odpowiednie długości do uzyskania tzw. efektu kwantowego Złotowłosej. Do "obserwowania" procesu pozyskiwania światła zespół projektu QUANTUM BIOTECH wykorzystał spektroskopię laserową i modelowanie dynamiczne. Udowodniono, że wirusy rzeczywiście wykorzystują spójność kwantową do ulepszenia transportu ekscytonów. Wyniki projektu są dowodem na słuszność założeń i pozwolą w przyszłości tworzyć niedrogie i skuteczne ogniwa słoneczne oraz prowadzić katalizę kierowaną światłem.
