Fotosentez, dünyamızdaki canlı yaşamının devamlılığını sağlayan en önemli mekanizmalardandır. Bu biyokimyasal mekanizma, bitkiler, algler ve bazı bakteriler tarafından güneş ışığını kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullanılır. Fotosentezin ilk aşaması, bir fotonun bir pigment molekülü tarafından soğurulmasıyla başlar. Enerji taşıma kabiliyetli parçacıklar (exciton) fotosentezin gerçekleştiği reaksiyon merkezine ulaşana kadar belirli aşamalardan geçer. Bu aşamaların fotosentez dinamiği içindeki harmonisi ve fotosentezin yüksek veriminin sırrı son yılların önemli araştırma konuları arasındadır. Çeşitli deneysel ve istatistiksel araştırmaların ortaya koyduğu bulgulara göre fotosentezdeki enerji transfer süreçleri, klasik fizik yasalarından farklı olarak kuantum mekaniği ilkeleriyle de açıklanabilecek şaşırtıcı özellikler barındırıyor.
1. Vibronik Bağlaşım Mekanizması [1]
Fotosentez sürecinin nasıl bu kadar verimli olduğu bilim insanları tarafından uzun yıllardır araştırılmaktadır. 2021 yılında Chicago Üniversitesi bünyesinde yapılan bir çalışmada, bu yüksek verimliliğin ardında kuantum mekaniğinin titreşim modları ile etkileşimini içeren “vibronik bağlaşım” adı verilen bir mekanizmanın olabileceği ortaya konmuştur.
Bu mekanizmayı anlamak için, öncelikle enerji taşıyan küçük parçacıklar olan eksitonların fotosentez sürecindeki rolüne bakmamız gerekir. Eksitonlar, bir foton (birim ışık paketi) bir pigment molekülü tarafından soğurulduğunda oluşan enerji taşıyıcılarıdır. Bu enerji taşıyıcılar, ışığın ilk emildiği noktadan, kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü reaksiyon merkezine ulaşana kadar bir dizi molekül boyunca hareket eder.
Çalışmada eksitonların bu hareketini daha verimli hale getiren bir mekanizma keşfedildi: Eksitonlar, moleküllerin doğal titreşimleriyle (yani atomların küçük ölçekli titreşim hareketleriyle) etkileşime girerek (rezonansa girip çıkarak) belirli yollar boyunca daha hızlı hareket edebiliyordu. Bu süreç, enerjinin “en kısa ve en verimli” yolda ilerlemesini sağlayarak enerji kaybını minimize ediyor ve fotosentez verimliliğini artırıyordu. Araştırmacılar, bu fenomeni iki boyutlu elektronik spektroskopi (2DES) adı verilen ileri düzey bir optik teknik kullanarak incelediler ve titreşim hareketleri ile eksiton transferi arasındaki bu karmaşık etkileşimi deneysel olarak doğruladılar.
Vibronik eşleşme (bağlaşım) mekanizması, fotosentetik organizmaların uyarılmış durumdayken enerji aktarım dinamiklerinin en efektif şekilde kontrolünü sağlayabileceği evrensel bir şablon sunuyor. Bu model mekanizma, fotosentetik organizmaların elektronik ve titreşimsel durumlarının kontrolünü kuantum mekaniği prensiplerinden yararlanarak sağladığını ortaya koymakta.
2. Fotosentetik Reaksiyonların Tetikleyicisi Olarak Tek Foton Kaynağı [2]
Bilimsel konsensus fotosentezin tek bir fotonla başladığı üzerinedir. 2023 yılında yayımlanan bir çalışma, doğal fotosentetik sistemlerde tek bir fotonun enerji transferini nasıl başlattığını doğrudan deneysel olarak doğrulamıştır.
Araştırmacılar, çalışmada, Rhodobacter sphaeroides bakterisinin Işık Hasatlayıcı 2 (Light-Harvesting 2) kompleksini incelemişlerdir. Bu sistem, B800 ve B850 olarak adlandırılan iki halkadan oluşan bakteriyoklorofil molekülleri içerir. B800 halkası ışığı soğurduğunda, enerji 0.7 pikosaniye içinde B850 halkasına aktarılır ve burada yaklaşık 100 femtosaniye süren hızlı bir enerji transferi gerçekleşir. Bu süreç sonunda, B850 halkası 850–875 nm dalga boyunda ışık yayarak floresans oluşturur.
Bu çalışmada, “heralded single-photon” (burada heralded kavramı, kullanılacak foton çiftlerinden yalnız bir tanesinin diğerinin varlığını ima etmesine binaen kullanılmaktadır) kaynağı ve zaman çözünürlüklü foton sayımı kullanılarak LH2 kompleksinin tek fotonları soğurup yaydığı gösterilmiştir. Deneyler, tek fotonun absorpsiyonu ile B850 floresansı arasında güçlü bir zaman korelasyonu olduğunu kanıtlamıştır. Bunun yanı sıra, yapılan istatistiksel analizler, her bir absorbe edilen tek fotonun belirli bir olasılıkla enerji transferini ve floresans emisyonunu tetiklediğini ortaya koymuştur.
Mevzu bahis araştırma, fotosentezin temel süreçlerinin tek foton kaynağı ile başlayabildiğini ve ışık hasatlayıcı komplekslerin doğrudan tek fotonlarla çalışabildiğini ortaya koymaktadır. Bu bulgular, güneş enerjisinden maksimum verim alabilen biyomimetik fotosentetik sistemlerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.
3. Fotosentez Veriminde Kuantum Belirsizliği ve Klasik Titreşimlerin Rolü [3]
2022 yılında yayımlanan bir çalışmada, fotosentezdeki enerji transfer süreçlerinin kuantum belirsizliği ilkesi ile mi yoksa klasik mekanik titreşimleri ile mi yönlendirildiği araştırılmıştır.
Özellikle, Fenna–Matthews–Olson (FMO) kompleksi üzerinde yapılan çalışmalar, eksiton enerji transferinin doğasını anlamak için kuantum ve klasik mekanik yaklaşımlarını karşılaştırmaktadır. Bu çalışmada, araştırmacılar, FMO kompleksinde gözlemlenen enerji hunisinin (energy funnel) kuantum mekaniğinin temel ilkeleri olmadan da açıklanıp açıklanamayacağını test etmek için klasik-çekirdek (classical nuclei) simülasyonları gerçekleştirdiler. Simülasyon sonuçları, enerji transfer mekanizmasının yalnızca kuantum belirsizliği ilkesi ile değil, klasik mekanik yasalarıyla da başarılı bir şekilde açıklanabildiğini gösterdi.
Bu analiz, fotosentezde enerji hunisinin kuantize edilmiş elektronik durumlar arasında dengeli bir enerji aktarımına dayandığını ancak bunun mutlaka nükleer kuantum belirsizliği gerektirmediğini göstermektedir. Çalışmadaki simülasyonlar FMO kompleksine odaklanmış olsa da ulaşılan temel sonuç, kuantum mekanik sistemlerde bulunan belirsizlik ilkesinin nükleer hareketler açısından yorumlanmaması gerektiğidir. Yani atomların konum ve momentumları arasındaki ilişkiden kaynaklanan kuantum belirsizliği, fotosentezdeki enerji transferi için zorunlu değildir. Bu sonuç yalnızca FMO için değil, diğer ışık hasatlayıcı kompleksler için de geçerlidir.
Diğer taraftan, nükleer kuantum etkilerinin (örneğin, atomların dalga fonksiyonlarının yayılımı gibi) bazı ışık hasatlayıcı komplekslerin dinamiklerini nicel olarak açıklamak için önemli olabileceğini belirtmekte fayda var. Redfield teorisine göre, enerji transferine etki eden temel titreşimler, eksitonlar arasındaki enerji boşluklarıyla rezonans hâlinde olanlardır. FMO kompleksinde bu enerji boşlukları yaklaşık olarak kBT mertebesindedir, bu yüzden sistem klasik istatistiklerle iyi bir şekilde modellenebilir. Ancak LH2 veya PE545 gibi daha büyük enerji boşluklarına sahip komplekslerde, nükleer sıfır nokta enerjisi gibi kuantum özelliklerinin daha önemli bir rol oynayabileceği düşünülmektedir. Bu nedenle nükleer kuantum etkilerini doğru bir şekilde ele alabilen yörünge tabanlı yöntemlerin geliştirilmesi, devam eden araştırmaların önemli bir alanı olmaya devam etmektedir.
Sonuç olarak, fotosentezin doğasında hem kuantum hem de klasik fizik ilkelerinin iç içe geçtiğini gösteren önemli bir bilimsel bulgu ortaya çıkmaktadır. Enerji transferi klasik mekanik prensiplerle yeterince açıklanabilirken kuantum mekaniğinin bazı özel durumlarda süreci optimize ettiği anlaşılmaktadır.
Alan Araştırmalarının Geleceği
Fotosentezdeki kuantum etkilerin keşfi, sadece biyokimyasal mekanizmaları daha iyi çözümlememize olanak sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda yapay fotosentez sistemleri geliştirme yolunda da yeni kapılar aralıyor. Kuantum mekaniğinin sağladığı verimlilik prensipleri, gelecekte güneş panellerinden enerji depolama teknolojilerine kadar birçok alanda kullanılabilir. Özellikle, tek fotonla çalışan enerji dönüşüm sistemleri güneş enerjisi kullanımında devrim yaratabilme potansiyeline sahip.
Bunun yanı sıra, biyomimetik ışık hasat sistemleri (biomimetic light-harvesting systems), doğadaki fotosentetik süreçleri taklit ederek daha verimli enerji üretim teknikleri geliştirmek için kullanılabilir. Kuantum hesaplamaları ve ileri düzey simülasyon teknikleri sayesinde, fotosentezin temel mekanizmalarını daha iyi anlayarak enerji verimliliğini en üst düzeye çıkaran teknolojiler geliştirilebiliriz.
Kaynakça
- J.S. Higgins, L.T. Lloyd, S.H. Sohail, M.A. Allodi, J.P. Otto, R.G. Saer, R.E. Wood, S.C. Massey, P. Ting, R.E. Blankenship, & G.S. Engel, Photosynthesis tunes quantum-mechanical mixing of electronic and vibrational states to steer exciton energy transfer, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118 (11) e2018240118, https://doi.org/10.1073/pnas.2018240118 (2021).
- Li, Q., Orcutt, K., Cook, R.L. et al. Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex. Nature 619, 300–304 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06121-5
- Johan E. Runeson, Joseph E. Lawrence, Jonathan R. Mannouch, and Jeremy O. Richardson, The Journal of Physical Chemistry Letters 2022 13 (15), 3392-3399, DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c00538
