Ara

Kuantum Biyoloji ve Fotosentez


Kuantum mekaniği fizik bilimine damgasını vurmakla kalmadı artık biyolojik sistemlerde de kuantum mekaniksel olgulardan bahsedilir oldu. Esasında kuantum mekaniğinin, klasik mekaniğin açıklamakta yetersiz kaldığı atom ölçeğinde geçerli olduğu bilinse de durum böyle değil. Kuantum mekaniği her ölçekte geçerli bir kuramdır fakat süperpozisyon, dolanıklık ve tünelleme gibi kuantum mekaniğine özgü olgulara günlük hayatımızda rastlamayız ve bu olguların biyolojik sistemlerde gözlemlenebilmesi de yakın zamana kadar mümkün değilmiş gibi görünüyordu. Çünkü bu olguların ancak laboratuvar ortamında düşük sıcaklıklarda (neredeyse mutlak sıfıra yakın) yalıtılmış sistemlerde görülebileceği ve bu yüzden yaşamı oluşturan sıcak, nemli ve yoğun sistemlerde bu olguların görülemeyeceği veya çok kısa süre içinde yok olup sistemin klasik fizik kuramlarıyla da açıklanabilecek hale geleceği düşünülüyordu. Fakat son 20 yılda bilimde şaşırtıcı gelişmeler yaşandı ve artık adına “kuantum biyoloji” dediğimiz yeni bir bilim dalı ortaya çıktı.


Kuantum biyoloji, fotosentez sırasında enerji aktarımında gözlenen kuantum uyumluluğu denilen olgu ya da enzim katalizinde elektron ve protonların gösterdiği kuantum tünelleme ya da kuşların göç sırasında yön bulma konusunda kuantum dolanıklığını kullandığının ileri sürülmesi ya da son dönemde beynin işlevleri ve bilincin oluşumunu anlamamızda kuantum mekaniği ilkelerinden faydalanabileceğimiz gibi iddialar sayesinde popülerliği artan bir bilim dalı oldu. Bu yazımızda bitkilerin kuantum mekaniği ilkelerini fotosentezde nasıl kullandığını inceleyeceğiz.


Fotosentez, gezegenimizde hayat olmasını sağlayan çok önemli bir süreç. Kelime anlamı ışık ile sentez. Yani bir şey oluşturmak için ışığın kullanılmasından bahsediyoruz. Bitkilerin büyük çoğunluğu ve bazı bakteriler (siyanobakteri vb.) fotosentez ile karbondioksit, su ve gün ışığını ortamdan alır ve hücrenin kullanabileceği kimyasal enerji kaynağı olan glikozu üretip yan ürün olarak oksijen salgılar.


Bitkiler çoğunlukla fotosentezi yapraklarında, kloroplast adı verilen organellerde gerçekleştirir. Tek hücreli prokaryot bir organizma olan siyanobakteriler ise organel bulundurmaz fakat fotosentez için asıl gerekli olan klorofil pigmentini içerir. Fotonların kullanılabilir enerjiye nasıl dönüştüğünü anlamak için klorofillerin yapısını incelemek gerekir.



Klorofil molekülünde, uzun bir karbon ve hidrojen iskeleti vardır ve magnezyum atomunun etrafı, azot ve karbon atomlarıyla sarılıdır. Bu durumda magnezyum atomunun son elektron seviyesindeki elektronlardan biri gün ışığı aldığı zaman, fotonun enerjisi bu elektrona etki ederek atomdan uzaklaşmasını ve daha yüksek enerji seviyesine atlamasını sağlar. Elektronun eskiden bulunduğu enerji seviyesinde pozitif yüklü bir boşluk oluşur. Elektron ve foton coulomb etkileşimiyle birbirlerine bağlanırlar ve eksiton oluşumu gerçekleşir.


Eksiton oluşumu basitçe özetleyecek olursak: Işık absorplandığında bir enerji seviyesinde bulunan bir elektronun daha yüksek bir seviyeye atlarken, orijinal seviyesindeki yerinde pozitif yüklü bir boşluk bırakması sonucu oluşur. Eksiton, bir elektron ve bir boşluğun bağlı halidir. Oluşan bu yapı, enerji depolayabilir. Bunu, iki kutuplu bir pil olarak düşünebiliriz.


Fotonlar aracılığı ile enerji üretebilmek için, eksitonların reaksiyon merkezine doğru hareket etmesi gerekir; çünkü kimyadan da bildiğimiz üzere, magnezyumdan kopan elektron, stabil bir molekül oluşturmak için başka bir moleküle bağlanmalıdır. Buraya kadar her şey normal. Fakat eksiton, kloroplastta bulunan yoğun şekilde paketlenmiş klorofillerden hangisine gidecek? Eksiton ne yönde hareket etmesi gerektiğini nereden bilecek? Rastgele mi? En yakın reaksiyon merkezine ulaşana kadar rastgele molekülden moleküle mi hareket edecek? Eksitonlar taşınırken enerji kaybederler, yani reaksiyon merkezine olabildiğince kısa bir sürede varmazlarsa, enerji taşımış olamayacaklar. Eksiton, klorofil molekülleri arasında hareket ettikçe, enerjisi azalır. Yani eğer rastgele bir taşınım olsaydı, fotosentezdeki enerji aktarımı doğada gözlemlendiği gibi %95 verimle gerçekleşmek yerine %50 verimle gerçekleşirdi. Peki böyle verimli bir süreç, klasik biyoloji verileri ile nasıl açıklanabilir?



İşte burada işler karışıyor. Biraz kuantum dünyasından bahsetmenin zamanı geldi. Shrödinger’in kedisi düşünce deneyini mutlaka duymuşsunuzdur. Şimdi buna çok benzer bir düşünce deneyi de biz yapalım. Kapalı bir kutunun içinde küçük bir kağıt parçası olduğunu düşünelim. Kutu kapalı iken onun nerede olduğunu göremediğimiz için, yapabileceğiniz tek şey nerede olduğunu tahmin etmek olacaktır. %50 ihtimalle kutunun ortasında, %30 ihtimalle köşesinde, %20 ihtimalle ise bir diğer köşesinde diyerek tahminlerde bulunabiliriz; ama kağıt parçası bu üç yerde aynı anda bulunamaz, yalnızca tek bir yerde bulunabilir ve nerede bulunduğunu kutuyu açmadan kesin olarak bilemeyiz. Öyle değil mi?


Cevap düşündüğümüzden biraz daha karmaşık. Bu kağıt ya üç yerde birden aynı anda bulunuyorsa? Kuantum parçacıkları günlük hayatımızda pek de alışık olmadığımız durumlarla karşımıza çıkıyor. Süperpozisyon da bunlardan biri. Kuantum parçacıkları gerçek anlamıyla farklı olasılıklarla birden fazla yerde aynı anda bulunabiliyor gibi görünüyor. Bunu bir çalışmayla açıklamaya çalışalım. Ama unutmayın Neils Bohr’un da dediği gibi: “Kuantum fiziği kafanızı karıştırmadıysa onu tam olarak anlamamışsınız demektir.”


Çift Yarık Deneyi


Çift yarık deneyi bir elektronun dalga/parçacık hareketi ikilemini anlamak amacıyla tasarlanan bir deneydir. Ancak çift yarıklı sisteme geçmeden önce tek yarıklı sistemde sonucun nasıl olduğunu inceleyelim. Bu deneyde, sistem içerisinde bir elektron kaynağı bulunmakta. Bu kaynağın biraz uzağında üzerinde küçük bir delik bulunan bir engel ve bu engelin arkasında elektronun çarpıp görüntü oluşturacağı bir ekran bulunmakta. Kaynak, elektron saçmaya başladığında üzerinde tek bir delik olan engelden geçerek arka planda tahmin edebileceğimiz gibi bir yığılma oluşturur ve bir tepe noktasına sahip yığın oluşur. Bu beklenen bir sonuçtur. Burada elektron düşünüldüğü gibi parçacık hareketi yapar.



Sistemi çift yarıklı hale getirdiğimizde buna benzer olarak elektronun yine parçacık hareketi yapmasını ve bazılarının ilk yarıktan bazılarının diğerinden geçerek iki farklı tepe noktası oluşturmasını bekleriz. Ama sonuç bizim beklediğimiz gibi değil. Görselde görebileceğiniz gibi ekran üzerinde, bir tepe bir çukur olacak şekilde ikiden fazla tepe noktasına sahip bir görüntü oluşur. Ama bu nasıl olur? Burada olan şey elektronların parçacık hareketi yaparak değil dalga hareketi yaparak yayılması. Yani başka bir deyişle bir elektron aynı anda iki yarıktan birden geçiyor ve kendisi gibi davranan elektronlar ile sönümleme ve birleşme yaparak ekranda dalga fonksiyonu oluşturuyor.



Buraya kadar sonuçlar yeterince tuhafken sisteme bir sensör eklediğimizde işler daha da karmaşıklaşıyor. Elektronların hareketlerini incelemek için sisteme bir sensör eklendiğinde gözlemlenen elektronlar parçacık hareketi yapıyor ve başta beklediğimiz gibi ekran üzerinde iki tane tepe noktası oluşuyor.



Gözlem olmadığı sürece sistem süperpozisyon ilkesine uyuyor ve elektronlar aynı anda iki yarıktan birden geçerek bir dalga deseni oluşturuyor ama işin içine gözlem girdiği anda süperpozisyon ilkesi geçerliliğini kaybediyor ve elektron kendisinden beklenen iki durumdan birine çöküyor. Peki bu nasıl olabilir? Elektronlar gözlemlendiğini algılayıp kendisinden beklendiği gibi mi hareket ediyor? Kuantum fizikçileri henüz bu soruların cevabını bulabilmiş değil.


Şimdi fotosenteze geri dönüp fizikçilerin eksitonların enerji taşıması ile ilgili ortaya attıkları hipotezi inceleyelim. Eğer eksitonlar, kuantum uyumuna göre hareket ederlerse, enerjilerini kaybetmeden enerji taşımayı başarabilirler. Uyumluluk tek bir dalganın veya birçok dalga içeren dalga paketlerinin fiziksel özelliklerini tanımlar. Yani eksitonlar parçacık gibi değil de dalga gibi hareket ederlerse aynı anda reaksiyon merkezine giden tüm yollardan geçebilir ve fotosentez sürecinin tam verimlilikle, "neredeyse hatasız bir şekilde" gerçekleşmesini sağlayabilir.



2007 yılında California Üniversitesi (Berkeley) ve Washington Üniversitesi’nden (St. Louis) Graham Fleming ve Robert Blankenship liderliğinde çalışan ekip, klorofil moleküllerinin bileşiklerinde, kuantum uyumunu gözlemledi. Araştırmacılar, bir madde tarafından çekilen ve yayılan enerjiyi incelediklerinde, 77 Kelvin sıcaklığındaki bileşiklerde "kuantum atışı" olarak adlandırdıkları bir sinyal keşfettiler. Bu titreşimler, kuantum uyumunun kanıtı olarak kabul edildi.


Tabii, bu fikre karşı çıkanlar da oldu. 2017 yılında Almanya’daki araştırmacıların yeşil kükürt bakterileri üzerinde yaptığı gözlemlerde, kuantum uyumun 0.00006 nanosaniyeden daha kısa sürdüğü görülmüştü. Bu, enerjinin reaksiyon merkezine ulaşması için yeterli bir zaman değildi.

Ancak bu araştırmanın ardından, başka bir araştırma ekibi de klorofil bileşiklerinde birçok tür kuantum uyumunun mevcut olduğunu ve bazılarının fotosentez sürecini gerçekleştirmeye yetecek kadar uzun olduğunu savundu.


Şimdiye kadar anlattıklarımızı toparlayacak olursak, yaşam süreçlerinin altında yatan kuantum mekaniksel mekanizmalara ilişkin araştırmalar, henüz yeni yeni meyvelerini vermeye başlıyor. Bu araştırma alanı henüz çok yeni ve emekleme aşamasında ama gizemini koruyan bazı yaşamsal süreçlerin nedenlerini anlamamıza yardım edebilir gibi görünüyor.



Kaynaklar ve İleri Okuma

  1. https://evrimagaci.org/emekleme-evresinde-bir-bilim-kuantum-biyolojisi-962

  2. https://evrimagaci.org/superpozisyon-ve-fotosentez-bitkiler-kuantum-mekaniginden-nasil-faydalaniyor-8846

  3. https://www.youtube.com/watch?v=6CTxj7BtkFo

  4. http://bilsenbesergil.blogspot.com/p/eksiton-exciton.html

  5. https://bilimfili.com/kuantum-biyoloji-2-3-fotosentez-ve-solunumun-kuantumsal-kokeni

  6. https://www.ceyrekmuhendis.com/kuantum-ve-superpozisyon-prensibi/