植物は量子力学を利用して光合成中のデコヒーレンスを防ぎ、プロセスをより効率的にする可能性があります.
2007年、米国のシカゴ大学とワシントン大学、プラハのチャールズ大学物理学研究所の研究者で構成される研究チームは、植物が量子力学を利用して量子計算を行うことを提案しました。研究者たちは、多くの人がまだ SF の領域と見なしている量子力学 (少なくとも現時点では) があなたの庭で起こっていると提案しました.
これは当初、非常にばかげていると考えられていたため、植物の量子能力を主張する論文が発表されたとき、科学者たちは笑った.量子コンピューターなどの量子マシンが動作するには、氷点下の温度や純粋な真空などの特殊な条件が必要でした。これらの厳しい条件を考えると、気温が摂氏 40 度に達することもあり、水や二酸化炭素などの分子が常にあらゆるものに衝突している現実の世界に生息する植物が、量子力学に関与できる可能性はないように思われました。
しかし、科学者がこのばかげた主張をさらに調査するにつれて、植物の量子的性質の証拠はますます強くなりました.
では、植物は量子力学を何に使用し、どのように使用するのでしょうか?
光合成の概要 (写真提供:VectorMine/Shutterstock)
光合成で量子力学が使われている場所
光合成は、地球上の生命の根幹の 1 つです。空気中の二酸化炭素を利用して、世界に酸素と食料を供給しています。これらはすべて、太陽のエネルギーによって動かされています。
発色団と呼ばれる分子 (そのうちの 1 つがクロロフィル) は、太陽光に含まれる光子を捕捉します。
注: 光合成生物を指す場合は「植物」と書きますが、光合成を行うのは植物だけではありません。藻類、原生生物、一部のバクテリアも同様です!
光子が発色団に当たると、そのエネルギーがクロロフィル分子の電子に渡されます。この電子は、朝のコーヒーを飲んだばかりの大人のようにエネルギーを与えられています。電子と結合したエネルギーは励起子と呼ばれるようになりました .
この励起子は、反応中心と呼ばれる場所に到達する必要があります。反応中心は、励起子がそのエネルギーを蓄積する場所であり、最終的には ATP になります。これは、植物が食物を作る (および他のことを行う) ために使用できるエネルギーの形です. ATP が形成される前に、他の多くのプロセスが発生する必要がありますが、それはこの記事の範囲を超えています。
励起子を反応中心に到達させることは簡単なプロセスではありません。ここで量子力学が登場します。
光合成はデコヒーレンスを回避できる
古典的な見方では、励起子はある発色団から別の発色団へとジャンプし、最終的に反応中心への道を見つけるというものです。これは一般に、目的地に到達するまでランダムに「飛び跳ねる」「酔いどれ散歩」と表現されています。
反応中心への励起子の「酔い散歩」。 （写真提供：CNX OpenStax
/ウィキメディア・コモンズ)
しかし、その見方とは反対に、科学者たちは励起子が実際には決して失われないことに気付きました。それは方向を変えたり、エネルギーを別の場所に置いたりすることはなく、ほとんどの場合、反応中心への道を見つけました。それが「酔っ払ったつまずき」である場合、励起子はおそらく時々失われるはずです。この「道に迷う」ことは生物学的システムで起こります。
2007 年の論文は、光合成生物がデコヒーレンスと呼ばれるものを防ぐことができると提案しました。
重ね合わせとデコヒーレンスとは
古典物理学では、コーヒー ショップの列に並んでいる場合、同時に仕事をしていたり、車を運転していたりすることはできません。一度に 1 つの場所にしか存在できません。
これは、量子粒子には当てはまりません。もしあなたが量子粒子なら、異なる確率があるでしょう コーヒー ショップ、職場、または車の中で。
科学者が量子粒子がどこにあるかを知りたい場合は、測定する必要があります。彼らがそうするとき、彼らはあなたを一箇所にとどまらせます。しかし、彼らがあなたの居場所を正確に測定するまでは、コーヒー ショップ、車内、および職場に同時にいることになります。
一度に複数の場所にいることを重ね合わせと呼びます。
励起子は反応中心に向かってすべてのドアを同時にチェックします
これは、光合成プロセスが励起子を反応中心に到達させる際にも使用する可能性があるものです。
量子粒子である励起子は同時に複数の場所に存在できるため、反応中心へのすべての経路を同時に取ることができます。このプロセスを、迷路に迷い込んだかのように想像してください。一度にすべての可能なルートを 1 つずつ探索して迷子になるよりも、多くの異なるバージョンの自分自身に分割し、すべてのルートを同時に探索できれば、迷路から抜け出すまでの時間が短縮されます。
励起子は迷路の中にあり、反応中心に到達する必要があるため、その量子特性が助けになり、一度にどこにでも存在できるようになり、反応中心への最速ルートを見つけます。
しかし、量子粒子を測定すると、量子粒子が 1 か所にしか存在しないと言ったことを覚えていますか?その測定は、実際には量子粒子に衝突する光子で構成されています (これが、実験室で量子現象を起こすために真空が非常に重要である理由です)。派手な量子用語で言えば、光子は「波動関数の崩壊」を引き起こし、量子粒子は、一度に 1 か所に配置された、退屈な古典的な粒子のように振る舞い始めます。
この量子から古典への変化は、デコヒーレンスと呼ばれます。反対はコヒーレンスで、量子粒子がまだ波と粒子の両方として機能し、非常に奇妙な量子的なことを行っている場合です。
光合成生物はデコヒーレンスを回避しているようです
現在、生活は乱雑で熱く、あまりにも多くの分子が飛び交っています。降り注ぐ太陽光の光子は言うまでもなく、これらすべての跳ね返る分子が励起子をデコヒーレンスに駆動すると合理的に期待できます。
しかし、2007 年の論文とその後のこの分野での研究を信じるなら、そうです、光合成藻類とバクテリアはデコヒーレンスを回避することができます。彼らがこれを正確にどのように行うかは、依然として問題です。メカニズムに関するこの疑問は、生命が量子力学を使用できるかどうかに多くの疑問を投げかけています!
光合成の量子力学は誇張されていますか?
もう量子を避けることはできないと思います
しかし、新しい大胆な主張と同様に、懐疑論と論争が伴います。主な論争は、実験からの証拠をどのように解釈するかについてです。 2007 年の論文は、量子コヒーレンスの証拠として、実験を通じて発見された特定の「ビート」を解釈しました。 2013 年、コロラド大学ボルダー校の研究者は、これらの「ビート」は実際には量子活動の証拠ではないと異議を唱えました。代わりに、それらは色素胞の振動エネルギーに他なりませんでした。すべての分子には一定量のエネルギーがあり、独自の周波数で振動しています。古典的解釈と量子的解釈は、この議論の中心にあります。
それでも、生物学的プロセスがこれほど白黒はっきりしていることはめったにありません。振動エネルギーが支配的である一方で、メカニズムの一部が量子領域の一部である可能性もあります.
最終的に、植物がどのようにエネルギーを伝達するかを正確に理解することは、太陽光発電などの新しい最先端技術をさらに効率的に設計するのに役立つ可能性があります.
