Embedded Files
Ekibimize Katılın !!!
İçerik Yazarı: Muhammet Kazım Korkmaz
Editör: Elif Nur Öztürk
Tasarım: Sudenaz Şencan
Kuantum mekaniğini genellikle laboratuvarların mutlak sıfıra yakın soğukluğunda, dış dünyadan tamamen izole edilmiş hassas cihazların içinde gerçekleşen bir "fizik laboratuvarı gerçeği" olarak düşünürüz. Canlı organizmalar ise sıcak, ıslak, gürültülü ve kaotiktir; yani kuantum durumlarını korumak (coherence) için olabilecek en elverişsiz ortamlardır. Ancak son yıllarda doğan Kuantum Biyoloji alanı, doğanın milyarlarca yıldır bu kaotik ortamlarda kuantum yasalarını bizzat yaşamı sürdürmek için kullandığına dair ilgi çekici kanıtlar sundu. Bunun en büyüleyici örneği, yeryüzündeki yaşamın enerji motoru olan fotosentez mekanizmasının kalbinde saklıdır.
Bir yaprağın üzerine güneş ışığı düştüğünde, klorofil molekülleri tarafından emilen fotonlar birer enerji paketçiğine, yani fiziksel adıyla eksitona (exciton) dönüşür. Bu eksitonun görevi, hücre içindeki "reaksiyon merkezine" ulaşarak kimyasal enerjiye dönüşüm sürecini başlatmaktır. Ancak reaksiyon merkezine giden yol, binlerce molekülden oluşan devasa ve karmaşık bir labirent gibidir.
Klasik fizik kurallarına göre, bu enerji paketçiğinin labirent içinde rastgele savrularak (Brownian hareketiyle) yolunu bulması ve bu süreçte enerjinin önemli bir kısmının ısı olarak kaybolması beklenir. Oysa deneysel veriler, bazı bakteriyel sistemlerde ve yüksek bitkililerde eksitonun reaksiyon merkezine ulaşma başarısının %99'u aşan olağanüstü bir verimlilikte gerçekleştiğini gösteriyor. Bu rakam, insanlığın ürettiği en iyi güneş panellerinin (%20–30) çok ötesindedir.
Bu verimliliğin ardında kuantum mekaniksel etkilerin yattığına işaret eden kritik keşif 2007 yılında geldi. Gregory Engel ve ekibi, yeşil sülfür bakterilerinden elde edilen FMO (Fenna-Matthews-Olson) kompleksini iki boyutlu elektronik spektroskopi ile inceleyerek, enerji transferinin dalgasal, kuantum tutarlı bir karakter taşıdığını doğrudan gözlemledi. Bu gözlem, eksitonun tek bir yol üzerinde ilerlemek yerine birden fazla rotayı eş zamanlı olarak "araştırır" gibi davrandığına işaret ediyordu; saf rastgele atlama modeliyle açıklanamayacak bir verimlilik mekanizmasının kapısını aralıyordu.
Ancak hikâye burada karmaşıklaşıyor. Başlangıçta bu uzun ömürlü salınımlar, saf elektronik kuantum tutarlılığının kanıtı olarak yorumlandı. Sonraki çalışmalar ise tablonun daha nüanslı olduğunu ortaya koydu: Gözlemlenen tutarlılığın önemli bir bölümü, elektronik ve moleküler titreşim durumlarının bir karışımı olan "vibronique" (titreşimsel-elektronik) tutarlılıktan kaynaklanıyor. Üstelik bu sistemlerin, kuantum ve klasik davranışın iç içe geçtiği karma bir rejimde işlediği anlaşıldı; dahası çevreden gelen "gürültü" de, sezgisel olarak beklenenin aksine, enerji transferine zaman zaman yardımcı olan bir etken olarak karşımıza çıkıyor. Bilim insanları bu fenomeni "çevre destekli kuantum taşınımı" (environment-assisted quantum transport) olarak adlandırıyor.
Kuantum tutarlılığının verimliliği ne ölçüde artırdığı ise 2026 itibarıyla hâlâ tartışmalıdır. Bazı modellemeler bu katkının oldukça sınırlı olduğunu öne sürerken, diğerleri enerji transferinin hızı ve sağlamlığı üzerinde anlamlı bir rol oynadığını savunmaktadır. Alandaki konsensüs henüz kesin değildir.
Bununla birlikte şunu söylemek mümkün: Fotosentez, doğanın kaotik ve sıcak bir ortamda kuantum ile klasik fiziği nasıl bir arada kullandığının eşsiz bir örneğidir. Proteinlerin moleküler titreşimleri, tutarlılığı yalnızca korumakla kalmayıp çevresel gürültüyü verimli enerji transferine dönüştüren aktif bir bileşen olarak işlev görebiliyor. Bu mekanizmanın tam olarak aydınlatılması, sadece biyolojik bir merak meselesi değil; yapay fotosentez ve yeni nesil güneş enerjisi teknolojileri için de yol gösterici bir ilke olabilir. Fizik ve moleküler biyolojinin kesiştiği bu noktadan baktığımızda fotosentez, sadece bir biyokimya reaksiyonu değil; evrenin kendi kurallarını, canlılığı sürdürmek için nasıl incelikle işe koştuğunun hâlâ çözülmekte olan bir kanıtıdır.
Referanslar
Cao, J., Cogdell, R. J., Coker, D. F., Duan, H. G., Hauer, J., Kleinekathöfer, U., … Zigmantas, D. (2020). Quantum biology revisited. Science Advances, 6(14). https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz4888
Duan, H. G., Prokhorenko, V. I., Cogdell, R. J., Ashraf, K., Stevens, A. L., Thorwart, M., & Miller, R. J. D. (2017). Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(32). https://doi.org/10.1073/pnas.1702261114
Engel, G. S., Calhoun, T. R., Read, E. L., Ahn, T. K., Mančal, T., Cheng, Y. C., … Fleming, G. R. (2007). Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature, 446(7137). https://doi.org/10.1038/nature05678
Lambert, N., Chen, Y. N., Cheng, Y. C., Li, C. M., Chen, G. Y., & Nori, F. (2013). Quantum biology. Nature Physics, Vol. 9, pp. 10–18. Nature Publishing Group. https://doi.org/10.1038/nphys2474
Mohseni, M., Omar, Y., Engel, G. S., & Plenio, M. B. (2014). Quantum effects in biology. In Quantum Effects in Biology. https://doi.org/10.1017/CBO9780511863189
Scholes, G. D., Fleming, G. R., Olaya-Castro, A., & van Grondelle, R. (2011). Lessons from nature about solar light harvesting. Nature Chemistry, Vol. 3. https://doi.org/10.1038/nchem.1145
Google Sites
Report abuse