Kuantum biyolojisi
Uygulamalar > Fotosentez

Fotosenteze giren organizmalar, antenlerdeki elektron uyarımı süreci yoluyla ışık enerjisini emer. Bu antenler organizmalar arasında farklılık gösterir. Örneğin, bakteriler halka benzeri antenler kullanırken bitkiler fotonları emmek için klorofil pigmentleri kullanır. Fotosentez Frenkel eksitonlarını yaratır. Frankel eksitonları bir yük ayrımına sebep olur. Bu yük ayrımı hücreler tarafından kullanılabilir kimyasal enerjiye dönüştürülür. Tepkime alanlarında toplanan enerji, floresan veya termal titreşim hareketinde kaybolmadan önce hızlı bir şekilde aktarılmalıdır.
Yeşil kükürt bakterilerindeki FMO kompleksi gibi çeşitli yapılar, enerjinin antenlerden reaksiyon bölgesine aktarılmasından sorumludur. Elektron absorpsiyonu ve transferine ilişkin FT elektron spektroskopisi çalışmaları, difüzyon modeli gibi klasik mekanik modellerle açıklanamayan, %99'un üzerinde bir verimlilik göstermektedir. Buna alternatif olarak, 1938 gibi erken bir tarihte, bilim adamları, kuantum tutarlılığının uyarma enerjisi aktarımı için mekanizma olduğunu teorileştirdiler.
Bilim adamları yakın zamanda bu önerilen enerji aktarım mekanizmasının deneysel kanıtlarını aradılar. 2007'de yayınlanan bir çalışma, elektronik kuantum tutarlılığının -196 °C (77 K) sıcaklığında tanımlandığını iddia etti. 2010'daki bir başka teorik çalışma, kuantum tutarlılığının biyolojik olarak ilgili sıcaklıklarda (4 °C veya 277 K) 300 femtosaniye kadar var olduğuna dair kanıt sağladı. Aynı yıl, iki boyutlu foton eko spektroskopisi kullanılarak fotosentetik kriptofit algler üzerinde yapılan deneyler, uzun vadeli kuantum tutarlılığı için daha fazla doğrulama sağladı. Bu çalışmalar, evrim yoluyla doğanın fotosentezin verimliliğini artırmak için kuantum tutarlılığı korumanın bir yolunu geliştirdiğini gösteriyor. Ancak, eleştirel takip çalışmaları bu sonuçların yorumlanmasını sorgulamaktadır. Tek molekül spektroskopisi artık statik düzensizliğin müdahalesi olmadan fotosentezin kuantum özelliklerini gösteriyor. Bazı çalışmalar, bu yöntemi kullanarak kromoforlarda meydana gelen nükleer dinamiklere elektronik kuantum tutarlılığının izlerini tespit etti. Beklenmedik bir şekilde uzun olan tutarlılığı açıklamak için bir takım öneriler ortaya atıldı. Bir öneriye göre, kompleksin içindeki her alanın kendi çevresel gürültüsünü hissetmesi durumunda, hem kuantum tutarlılığı hem de termal ortam nedeniyle elektron herhangi bir lokal minimumda kalmayacak, bunun yerine tepkime alanına kuantum yürüyüşleriyle ilerleyecektir. Başka bir öneriye göre ise, kuantum tutarlılığı ve elektron tünelinin hızı, elektronu tepkime bölgesine hızlı bir şekilde hareket ettiren bir enerji lavabosu oluşturur. Bir takım diğer çalışmalara göre ise, kompleksteki geometrik simetriler, reaksiyon merkezine verimli enerji transferini teşvik edebilir, kuantum ağlarında mükemmel durum transferini yansıtabilir. Ayrıca, yapay boya molekülleri ile yapılan deneyler, kuantum etkilerinin 100 femtosaniyeden daha uzun sürdüğünü yorumlama konusundaki şüpheleri göstermiştir.
2017'de, orijinal FMO proteini ile ortam koşullarında yapılan ilk kontrol deneyi, elektronik kuantum etkilerinin 60 femtosaniye içinde silindiğini, genel eksiton aktarımının ise birkaç pikosaniye kadar bir zaman aldığını doğruladı. 2020'de, bir derleme makalesi, FMO sisteminde uzun ömürlü elektronik tutarlılıkları olarak önerilen kuantum etkilerinin geçerli olmadığı sonucuna varmıştır. Taşıma dinamiklerini araştıran araştırmalar ise, FMO komplekslerinde elektronik ve titreşimsel uyarma modları arasındaki etkileşimlerin, eksiton enerjisinin transferi için yarı-klasik, yarı-kuantum bir açıklama gerektirdiğini öne sürdü. Başka bir deyişle, kısa vadede kuantum tutarlılık hakim olsa da, eksitonların uzun vadeli davranışını tanımlamak için klasik bir açıklama en doğru olanıdır.
Fotosentezde neredeyse %100 verimliliğe sahip bir başka süreç de yük transferidir, bu da yine kuantum mekaniksel fenomenlerin etkin olduğunu düşündürüyor. 1966'da fotosentetik bakteri Chromatium üzerinde yapılan bir araştırma, 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda sitokrom oksidasyonunun sıcaklıktan bağımsız, yavaş (milisaniye düzeyinde) ve çok düşük aktivasyon enerjisindeolduğunu buldu. Yazarlar, Don DeVault ve Britton Chase, elektron transferinin bu özelliklerinin, klasik olarak gerekli olandan daha az enerjiye sahip olmalarına rağmen elektronların potansiyel bir bariyere nüfuz ettiği kuantum tünellemenin göstergesi olduğunu öne sürdüler.
Seth Lloyd, bu araştırma alanına yaptığı katkılardan dolayı dikkate değerdir.