فيزياء الكم وأثره في التمثيل الضوئي للنبات

فيزياء الكم مع التركيب الضوئي ، يُظهر العلماء لأول مرة أن هناك تأثيرات كمية  "كوانتية" (Quantum) في الأنظمة الحية.

و هذا يمكن أن يؤدي إلى ألواح شمسية أفضل أو وحدات تخزين طاقة أجود أو حتى أجهزة كمبيوتر كمومية أفضل Quantum Computer.

و كما نعرف جميعاً فقد تعلمنا في المدرسة عن آلية التمثيل الضوئي (Photosynthesis) و كيف تقوم النباتات بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة و يظهر هذا على أساس أننا اكتشفنا شيئاً جديد في العالم.

لكن العلماء لا يزالون يتعلمون أشياء جديدة و مثيرة عن الأشياء الأساسية في معارفنا و هذا الشيء ينطبق على التمثيل الضوئي و ذلك على وجه الخصوص وفقاً لدراسة قد نشرت في منتصف مايو 2018  في مجلة نيتشر كيميستري Nature chemistry .

فقد أظهر فريق دولي من العلماء أن الجزيئات المشاركة في عملية التمثيل الضوئي قد أظهرت سلوكاً كمومياً.

يقول الباحثون: على الرغم من أننا كنا نشك في هذا من قبل فهذه هي المرة الأولى التي نشهد فيها تأثيرات الكمومية (Quantum) في الأنظمة الحية .

إن ذلك لن يساعدنا فقط في فهم أفضل للنباتات وأشعة الشمس وكل شيء بينهما ولكنه قد يعني أيضا تقنية جديدة و رائعة في المستقبل .

لغز الكم (The Quantum Conundrum):

أولاً دعونا نعود خطوة إلى الخلف. في حين أنه يمكن تعليم التركيب الضوئي في الفصول الدراسية في جميع أنحاء العالم فإن ميكانيك الكم أقل شيوعاً بعض الشيء لأنه (ميكانيك الكم) ربما يكون غريباً جداً. قال عالم الفيزياء الكمومي ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل :

" أعتقد أنني أستطيع أن أقول بكل ارتياح أنه لا أحد يفهم ميكانيك الكم."

قد تكون قد سمعت عن قطة شرودنغر (Schrödinger’s Cat) و التي تكون حية و ميتة في نفس الوقت (و ذلك بفضل غرابة الكوانتوم) إذ أن الإلكترونات يمكن أن تكون في حالتين في نفس الوقت.

فقط يكون ذلك عندما نراقب الأنظمة, و تنهار الغرابة عندما يقوم الواقع باختيار الحالة (القط في الواقع على قيد الحياة أو ميت و الإلكترون في الواقع قد يكون في طرف الغرفة هذا أو ذاك).

لكن التأثيرات الكمومية عادة ما تكون محدودة على حدود صغيرةٍ جداً و يمكن فقط رؤيتها في ظروف مختبرية مثالية.

إن الكائن الحي مع رطوبته و نظمه الفوضوية سيكون مكاناً صعباً للعثور على بعض الغرابة الكوانتية الكامنة فيه و مع ذلك حصلنا على بعضها. هذا ما أكده الباحثون.

الجنون الجزيئي (Molecular Madness):

لقد قام العلماء بتكبير مركب (FMO) [Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex]  و هو عنصر رئيسي لآليةٍ بكتيريةٍ كبريتيةٍ خضراء للتحليل الضوئي.  و قد كانت فرصة تاريخية لمثل هذا البحث لأننا عرفنا هيكلية و بنية التركب الضوئي و مدى سهولة التعامل معه. و قد أظهرت التجارب السابقة جزيئات حساسة للضوء في هذه المنطقة في حالتين مختلفتين في نفس الوقت  - و هذه هي الغرابة الكوانيتة .

و لكن هذا التأثير استمر لأكثر من بيكو ثانية و هو وقت أطول بكثير من المتوقع . إذ تظهر هذا الدراسة الجديدة أنها كانت في الواقع تذبذبات منتظمة في الجزيئات , و لا شيء يتعلق بالكوانتوم.

و لكن الباحثين كانوا متحمسين لسنوات عديدة لإمكانيات علم الأحياء الكوانتي, لذا حاولوا العثور على بعض الأدلة الجديدة الخاصة بهم بعد أن دحضوا التجارب السابقة.

يقول توماس لا لكور جنسن (Thomas la Cour Jansen) المؤلف المشارك في بيان صحفي: " لقد تساءلنا عما إذا كان بإمكاننا مراقبة وضع قطة شرودنغر.".

و لاحظ فيما بعد أنهم فعلوا ذلك! باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي الإلكتروني الثنائي الأبعاد  . فقد رأى الباحثون جزيئات في حالات مثارة متزامنة (وهي غرابة كمية شبيهة بقطة حية وميتة في نفس الوقت ).

الأكثر من ذلك أن التأثير يستمر طالما أن النظريات تتنبأ به, و ذلك يعطي دليلاً على أن علم الأحياء الكوانتي سيستمر .

يقول بعض المؤلفون

إن قياساتنا توفر ملاحظة تجريبية لا لبس فيها لاتساق اهتزاز الحالة المثارة في مركب FMO ، ما الذي يمكن أن يكون أبسط من ذلك؟

ألقت النتائج الأخيرة الضوء على كيفية حصاد الطاقة من الضوء . حيث يعتقد فريق البحث أنها قابلة للتطبيق بشكل عملي لمجموعة من الأنظمة الحية و غير الحية على حد سواء.

ربما يؤدي هذا البحث إلى فوائد هندسية مثل :

• ألواح شمسية أفضل
• أو تخزين طاقة
• أو حتى كمبيوترات كمومية .

و بالطبع تحديث الكتب المدرسية للدروس التي تعطى للطلاب في المستقبل حول التمثيل الضوئي .

عزيزي القارئ

لأننا نهتم، نتمنى أن تكتب لنا في التعليقات عن المواضيع التي ترغب و تهتم بها لنتمكن من تقديمها لك، لرغبتنا في أن يعبِّر موقعنا عن اهتمامات القارىء العربي.

 كما ونرجوا منك مشاركة المقال في حال أعجبك المحتوى.   

 ننصحك بقراءة المقالات التالية :

باحثو غوغل Google يحققون " السيادة الكوانتية -الكميّة"

كل ما تحتاج لمعرفته حول السيارات التي تعمل بـ الطاقة الشمسية