Quantumeffecten gezien in de fotosynthese van bacteriën

Quantumeffecten spelen een rol in moleculen die betrokken zijn bij fotosynthese in bacteriën. Maar dit effect is kleiner dan tot nu toe werd gedacht. Dat concludeert een internationale onderzoeksgroep, waaronder wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen.

Schematische structuur van het fotosynthese eiwitcomplex van de groen zwavelbacterie die bestudeert werd. De groene en gele smilies markeren twee bladgroenmoleculen die tegelijkertijd wel en niet energie dragen en dus in een superpositie verkeren. Bron: Thomas la Cour Jansen/Rijksuniversiteit Groningen

Het idee dat quantumeffecten een rol spelen in biologische systemen is niet nieuw. ‘Het werd zeventig jaar geleden al voorgesteld door Erwin Schrödinger, een van de grondleggers van de quantummechanica’, zegt Thomas la Cour Jansen van de Rijksuniversiteit Groningen. Ruim tien jaar geleden werden de quantumeffecten voor het eerst gezien in fotosynthese. Dit is het mechanisme dat planten, algen en bacteriën gebruiken om zonlicht op te zetten in brandstof.

Er wordt sindsdien veel onderzoek gedaan naar mogelijke quantumeffecten in fotosynthese. Wetenschappers hopen het geheim achter deze efficiënte manier van energiewinning te achterhalen. Die kennis zou gebruikt kunnen worden om technieken om zonne-energie te winnen, zoals zonnecellen, te verbeteren.

Discussie over quantumcoherentie

Toen wetenschappers in 2007 voor het eerst dachten quantumcoherentie te zien in fotosynthese was het enthousiasme groot. Dankzij dit quantumgedrag kan de energie van het zonlicht verschillende routes door het fotosynthesesysteem tegelijkertijd uitproberen. Dat betekent dat de energie razendsnel de snelste route kan vinden, waardoor fotosynthese efficiënter zou worden. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop een quantumcomputer sneller zou kunnen rekenen: door meerdere berekeningen tegelijkertijd te doen.

Maar hoe dergelijke quantumeffecten lang genoeg konden bestaan bij de relatief hoge temperaturen waarbij planten groeien, was onduidelijk. Daardoor ontstond twijfel en discussie onder wetenschappers.

Trillende moleculen

Enkele jaren geleden werd het duidelijk dat de effecten die aangezien werden voor quantumgedrag, waarschijnlijk afkomstig zijn van moleculaire trillingen. Maar kunnen deze trillingen beschreven worden als coherent quantumgedrag dat fotosynthese efficiënt maakt? Of zijn er geen quantumeffecten en beweegt de zonne-energie gewoon lukraak door het fotosynthesesysteem van plant of bacterie?

LEESTIP In dit heerlijk gescheven boek bespreekt Martijn van Calmthout hoe quantumfysica steeds alledaagser wordt. Bestel in onze webshop

Sommige wetenschappers denken dat de mogelijkheid van quantumgedrag in fotosynthese uitgesloten is. ‘Het komt erop neer dat de bewering dat er een langdurig quantumcoherenteffect is, gebaseerd is op een verkeerde meting’, zegt Robert John Dwayne Miller van het Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Duitsland. Hij publiceerde recent een artikel waarin hij dit uitwerkt.

Maar de meningen zijn verdeeld. ‘Het recente onderzoek is goed onderzoek, maar het is een onderdeel van de grotere discussie’, zegt Rienk van Grondelle van Vrije Universiteit in Amsterdam. Het is een nieuw puzzelstukje in de zoektocht naar de oplossing.

Kleine quantumeffecten

De onderzoekers tonen in het recente onderzoek aan dat de resultaten van een decennium geleden inderdaad van trillende moleculen komen. Vervolgens keken ze of er andere quantumeffecten te vinden waren. Hiervoor onderzochten ze een pigment-eiwitcomplex van een groene zwavelbacterie. Dit eiwitcomplex is betrokken bij fotosynthese en bestaat uit nog geen tien bladgroenmoleculen, waardoor het relatief simpel te bestuderen is.

Om te voorkomen dat ze moleculaire trillingen zouden meten, koelden de onderzoeker het eiwitcomplex af tot -196 °C en bekeken ze de toestand met gepolariseerd licht.

De onderzoekers toonden hiermee aan dat in het er in het eiwitcomplex inderdaad quantumcoherentie optreedt die precies zo lang duurt als ze verwachtten op basis van de quantumtheorie. Ze zagen namelijk signalen die erop duiden dat twee bladgroenmoleculen in een zogenoemde superpositie zijn. Dat betekent dat de twee moleculen tegelijkertijd wel en niet energie dragen, zoals Schrödingers kat die zowel levend als dood is.

‘Dus ja, er bestaan quantumeffecten in fotosynthestische systemen’, zegt Jansen. ‘Maar hun rol is niet zo groot als de metingen uit 2007 suggereerden. Dit ondersteunt de conclusies van de onderzoeksgroep van Miller, die geen quantumeffecten konden vinden bij kamertemperatuur. En het ondersteunt de gedachte dat deze effecten geen rol spelen in de fotosynthese van het bestudeerde pigment-eiwitcomplex.’

‘De techniek waarmee we dit gemeten hebben, willen we nu gaan gebruiken om te kijken of we deze quantumeffecten ook in andere biologische en kunstmatige systemen kunnen vinden’, zegt Jansen. ‘Misschien spelen de effecten elders wel een grotere rol.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie