Kvanttimekaniikalla rooli fotosynteesissä ja lintujen suunnistuksessa

(16.2.2025) Fotosynteesi - pääasiassa kasvien suorittama - perustuu erittäin tehokkaaseen energian muunnosprosessiin. Kemiallisen energian tuottamiseksi auringonvalo on ensin vangittava ja siirrettävä eteenpäin.

Tämä tapahtuu käytännössä häviöttömästi ja erittäin nopeasti. Münchenin teknisen yliopiston (TUM) vetämä uusi tutkimus osoittaa, että kvanttimekaanisilla vaikutuksilla on keskeinen rooli tässä prosessissa. Ensimmäisen kirjoittajan Erika Keilin ja professori Jürgen Hauerin johtama tiimi havaitsi tämän mittausten ja simulaatioiden avulla.

Aurinkoenergian tehokas muuntaminen varastoitaviksi kemiallisiksi energiamuodoiksi on monien insinöörien unelma. Luonto löysi täydellisen ratkaisun tähän ongelmaan miljardeja vuosia sitten. Uusi tutkimus osoittaa, että kvanttimekaniikka ei ole vain fyysikoille, vaan sillä on myös keskeinen rooli biologiassa.

Fotosynteettiset organismit, kuten vihreät kasvit, käyttävät kvanttimekaanisia prosesseja valjastaakseen auringon energiaa, kuten Jürgen Hauer selittää: "Kun valo esimerkiksi absorboituu lehteen, elektroninen viritysenergia jakautuu kunkin virittyneen klorofyllimolekyylin useisiin tiloihin; tätä kutsutaan virittyneiden tilojen superpositioksi.

Se on ensimmäinen vaihe lähes häviöttömästä energiansiirrosta molekyylien sisällä ja välillä ja mahdollistaa aurinkoenergian tehokkaan jatkokuljetuksen. Kvanttimekaniikka on siksi keskeisessä asemassa energiansiirron ja varauksen erottamisen ensimmäisten vaiheiden ymmärtämisessä.

Tätä prosessia, jota klassinen fysiikka ei voi kuvata tyydyttävästi, esiintyy jatkuvasti vihreissä kasveissa ja muissa fotosynteettisissä organismeissa, kuten fotosynteettisissä bakteereissa.

Näiden havaintojen soveltaminen keinotekoisten fotosynteesiyksiköiden suunnitteluun voisi auttaa hyödyntämään aurinkoenergiaa ennennäkemättömällä tehokkuudella sähköntuotannossa tai fotokemiassa.

Kreetan yliopiston tutkijat ovat puolestaan havainneet, että tiettyjen eläimien biologinen magneettikentän tunnistus on lähellä kvanttirajaa.

Kanadanhanhet, monarkkiperhoset, haihait ja sukkalohi ovat muutamia niistä monista eläinlajeista, jotka navigoivat maapallolla aistimalla pieniä muutoksia Maan magneettikentässä. Aiemmat tutkimukset näistä organismeista ovat tunnistaneet useita antureita, kuten magneettisesti herkkiä kemiallisia reaktioita ja kompassin kaltaisia solurakenteita, mutta on ollut epäselvää, kuinka herkkiä nämä niin kutsutut biologiset magnetoreseptorit ovat.

Tutkijat havaitsivat, että tietyn tyyppiset biologiset magneettiset anturit voivat tehdä havaintoja kentistä lähellä kvanttirajaa, mikä voi ohjata laboratoriossa valmistettujen laitteiden suunnittelua. Eli biologisten magnetoreseptoreiden matkiminen voi ohjata tällaista kvanttitekniikkaa.

Aiheesta aiemmin:

Fotosynteesi puhtaan energian tuotantoon

Antureita atomien ja nanomittojen maailmaan