Fotosinteza - incredibilul proces de asimilare completa a energiei

 

Fotosinteza - cea mai eficienta utilizare a energiei? 

Enigmele plantelor

O descoperire foarte importanta, poate chiar cea mai importanta din domeniul biologiei din ultimul mileniu a ramas eclipsata de mai bine mediatizatul miracol al bacteriilor cu arsenic din 2010. Urmatoarele informatii vor putea transforma complet relatia noastra cu regnul vegetal. In cele ce urmeaza va prezentam prima descoperirea uluitoare despre eficienta inimaginabila a fotosintezei. 

Cine stie. poate intr-o buna zi masinile noastre vor avea jardiniere in loc de rezervoare cu combustibil. 

Stim cu totii cat de importante sunt plantele pentru echilibrul biologic al Planetei. Fara plante nu ar exista oxigen, deci viata pe Pamant. Existenta plantelor este, totusi, atat de comun si de la sine inteles, incat suntem tentati sa nu-i acordam nici o atentie. Mai mult, distrugem pe zi ce trece tot mai mult din plantele sustinatoare ale vietii. Le distrugem fara sa tinem cont ca ele ar putea simti. Cu toate acestea, chiar si cea mai mica buruiana contine atatea secrete inimaginabile, ce dainuie de sute de milioane de ani, pe care doar acum incercam sa le deslusim.

2010 a fost anul in care doua echipe de cercetatori au ajuns la aceeasi concluzie, si anume, eficienta cuantica a fotosintezei plantelor este incredibil de mare, pierderile prin radiatiile termice si foto-luminescente sunt mult prea mici in procesul de fotosinteza.

Trebuie, deci, sa existe ceva misterios, ce ar putea fundamenta aceasta eficienta de 95-98 %-os fata de eficienta elementelor foto-voltaice de doar 10-15 % - Care ar trebui sa fie secretul?

Oamenii de stiinta au ajuns la o descoperire socanta, care a dus la aparitia biologiei cuantice. Despre ce este vorba, totusi?

Pentru a intelege fenomenul va trebui sa cuplam biologia clasica cu foto-chimia, pe care sa-l condimentam cu un pic de fizica cuantica. Suna destul de exotic, dar sa nu ne speriem de ea!

Faza de lumina a fotosintezei

Prima faza a fotosintezei, prin care plantele precum si fito-bacteriile (ce contin clorofila), absorb prin pigmentii verzi cuantumurile culorilor rosu si albastru (fotonii), iar energia continuta de acesti fotoni le transporta in centrele de reactie, unde incep procesele bio-chimice.

Captarea luminii se efectueaza pe suprafata frunzelor, prin intermediul receptorilor - nistre grupuri de molecule de clorofila, dar ale caror lanturi proteice nu permit asimilarea de catre acestia a energiei fotonilor. In schimb aceste molecule captatoare, ca urmare a sensibilizarii cu fotoni ajunge la un nivel energetic superior, din care se pot reseta la valoarea initiala, si anume in trei moduri:

A) Vor emite, la randul lor, lumina (fluorescenta), urmand ca prin eliberarea acestei energii electronii acestor molecule sa decada intr-o stare energetica inferioara (initiala) - descarcare prin lumina,

B) Surplusul de energie se transforma in caldura (planta, sau bacteria foto-sintetizatoare se incalzeste),

C) Surplusul de energie se transmite la molecula de clorofila vecina, pana ajunge la asa numitele "centre de reactie" unde o pereche de molecule speciale le prinde in capcana, extrage electronul aflat in stare superioara de energie din intreg procesul, le separa din aceste antene captatoare, inchizand procesul initial de captare, urmand sinteza chimica al energiei.

Bine inteles, din punct de vedere al plantei, doar a treia varianta este benefica, deoarece doar prin acest proces va putea obtine energie chimica pentru intretinerea proceselor biologice. Din acest motiv, cea mai importanta caracteristica a fotosintezei din stadiul de captare a luminii este eficienta cuantica ridicata, adica procentul fotonilor care vor lua parte la reactiile foto-chimice (adica ajung de la receptoare la centrele de reactie)

Asa cum am mai amintit anterior, eficienta de 95-98 % este atat de mare incat intreaga comunitate al oamenilor de stiinta, ce efectueaza cercetari in acest domeniu este coplesita in fata acestor date.

Daca se ia in vedere distanta dintre receptori pana la centrele de reactie, respectiv cantitatea limitata a moleculelor de clorofila, pare de neinteles de ce nu exista pierderi mai mari pe "traseu", pierderi ce s-ar putea materializa prin fluorescenta sau caldura.

Experimente si dovezi stiintifice

Experimentele initiale au fost efectuate pe unul din cele mai simple bacterii foto-sintetizatoare, in asa fel incat unul din receptorii acestuia, prin alegerea unei molecule de clorofila, a fost radiata cu un impuls de laser, foarte precis si de o durata incredibil de scurta (de o femtosecunda, adica 0.000000000000001 sec), 

Astfel sa simulat radiatia solara, iar mai apoi, printr-un proces ultra-rapid de detectare, cu un spectroscop electronic bidimensional, au verificat distributia nivelurilor de energie, respectiv transmiterea acestei energii catre moleculele vecine.

Nu mica a fost mirarea cand au constatat ca energia fotonilor captati a fost, practic, imediat (adica fara un decalaj sesizabil) transmis catre molecula vecina, fara a lua in considerare nici viteza luminii si nici distanta dintre pigmenti. Specialistii afirma ca acest fenomen parca ar transmite energia fotonului captat in asa fel incat acesta sa fie prezenta deodata, fara intarziere, la toti receptorii, cu toate ca impulsul radiatiei a fost canalizata doar asupra unui singur receptor.

Cu ajutorul cunostintelor noastre contemporane, pe care abia le stapanim, si mai greu le putem intelege cu mintea rationala, acest proces poate fi explicat doar printr-un singur fel: 

- moleculele de clorofila, bine delimitate in spatiu, sunt perechi interconectate din punct de vedere a fizicii cuantice. Altfel spus, manifestarile aceluiasi particul sunt prezente in mai multe locuri bine definite in spatiu, pe suprafata frunzelor, sau suprafata bacteriilor fotosintetizatoare

Schema de mai sus arata structura FMO a bacteriei, la expunerea cu radiatii laser asupra receptorilor, in interval de o femtosecunda (10⁻¹⁵),  corelatia cuantica in functie de emisiunea radiatiei precum si captara ei

In afara de miracolul naturii, eficienta incredibila ale acestor forme de viata, poate si stiinta va invata ceva de la ei, si intr-o buna zi vom putea prelua si noi si vom putea pune in practica surse eficiente de utilizare a energiei solare.

Sursa - "Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes", Nature Physics, 2010; DOI: 10.1038/nphys1652.

Traducere partiala din Idokep.hu

Disclaimer: traducerea este efectuata de mine. Nefiind biolog, nu pot sa-mi asum raspunderea pentru erorile de traducere. Am considerat, totusi, ca este o stire importanta, mai ales ca este - poate - premiera in Romania. Cel putin, pana la data aparitiei acestei traduceri nu am gasit referinte similare traduse in limba romana.