Kwantumeffecten aangetoond bij fotosynthese

In moleculen die betrokken zijn bij fotosynthese in bacteriën spelen dezelfde kwantumeffecten een rol als in niet-levend materiaal. Dat schrijft een internationaal team, met onder meer theoretisch natuurkundige Thomas la Cour Jansen van de RUG, in een publicatie in Nature Chemistry van 21 mei. Het kwantummechanisch gedrag is aangetoond bij een temperatuur van 77 Kelvin, te laag om een biologisch rol te spelen. De juiste interpretatie van deze kwantumeffecten in fotosynthetische systemen kunnen helpen bij het ontwikkelen van op de natuur geïnspireerde apparaten voor het verzamelen van lichtenergie en helpen kwantummechanisch gedrag te identificeren in andere systemen.

Er speelt al jaren een discussie over kwantumeffecten in biologische systemen. Het basisidee is dat elektronen tegelijkertijd in twee toestanden kunnen zijn, totdat je ze waarneemt. Dit wordt vergeleken met het gedachtenexperiment ‘De kat van Schrödinger’. De kat zit in een doos met daarbij een giftige stof in een buisje. Als de sluiting van het buisje een kwantumsysteem is, kan de kat tegelijkertijd vergiftigd en niet-vergiftigd zijn en dus bestaan in een mengsel van de toestanden dood en levend, totdat we de doos opendoen en zo de kat waarnemen. Dat is precies het soort gedrag dat elektronen hebben.

Trillingen

In eerder onderzoek hadden wetenschappers al aangetoond dat moleculen in lichtgevoelige bacteriën in twee toestanden tegelijk aangeslagen kunnen zijn. Dat bewees al dat kwantummechanische effecten daarbij een rol spelen. In die experimenten zou die aangeslagen toestand echter langer duren dan 1 picoseconde (0,000 000 000 001 seconde). Dat is veel langer dan je op grond van kwantummechanische theorieën zou verwachten.

Jansen en zijn collega’s tonen in hun publicatie aan dat deze eerdere waarneming niet klopt. ‘We hebben aangetoond dat de kwantumeffecten die zij dachten te zien, in feite de gewone trillingen van de moleculen waren.’ Daarom is het team verder gaan zoeken. ‘We vroegen ons af of we die Schrödinger kat situatie zouden kunnen meten.’

Dood

Met behulp van licht dat op verschillende manieren is gepolariseerd voerden zij metingen uit in het fotosynthesesysteem van groene zwavelbacteriën. Dit systeem bestaat uit zeven lichtgevoelige moleculen, waarvan fotonen (lichtdeeltjes) er steeds twee in aangeslagen toestand brengen. Maar als dat gebeurt, bevindt de energie van het foton zich op beide moleculen tegelijk in ‘superpositie’. Net zoals de kat van Schrödinger levend en dood is, is het ene molecuul of juist het andere aangeslagen.

‘Als zo’n superpositie optreedt, kun je met behulp van spectroscopie een specifiek oscillerend signaal zien’, legt Jansen uit. ‘En dat is precies wat we zagen. Bovendien vonden we dat de kwantumeffecten precies zo lang duurden als verwacht op basis van de theorie en zo hebben we bewezen dat het signaal afkomstig is van superpositie van energie op twee moleculen tegelijkertijd.’ Jansen concludeert daarom dat in biologische systemen dezelfde kwantumeffecten gelden als in niet-biologische systemen. Maar bij de gebruikelijke temperatuur van biologische systemen, zoals bacteriën, zijn deze effecten te zwak om de efficiëntie van het fotosynthetische systeem te bepalen, in tegenstelling tot wat eerdere is beschreven.

De meetmethode die de wetenschappers voor dit onderzoek hebben ontwikkeld, kan ook toegepast worden voor andere systemen, zowel biologische als niet-biologische. Jansen is blij met de resultaten. ‘Dit is een interessante bevinding voor iedereen die geïnteresseerd is in de fascinerende wereld van kwantummechanica. Bovendien kunnen de resultaten een rol spelen bij het ontwikkelen van nieuwe systemen voor bijvoorbeeld het vastleggen van zonne-energie, maar ook bij het ontwikkelen van bijvoorbeeld kwantumcomputers.’

Referentie: Erling Thyrhaug, Roel Tempelaar, Marcelo J. P. Alcocer, Karel ?ídek, David Bína, Jasper Knoester, Thomas L. C. Jansen and Donatas Zigmantas: Identification and characterization of diverse coherences in the Fenna-Matthews-Olson complex. Nature Chemistry 21 May 2018.

Tekst: Christine Dirkse