Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Elinor Zerah Harush e Yonatan Dubi nos departamentos de química e ciência e tecnologia em nanoescala, na Universidade Ben-Gurion de Negev, Israel, discutiram uma avaliação direta dos efeitos da coerência quântica na eficiência de três complexos fotossintéticos naturais. A abordagem de sistemas quânticos abertos permitiu aos pesquisadores identificar simultaneamente a natureza quântica e a eficiência sob condições fisiológicas naturais. Esses sistemas residiam em um regime misto quântico-clássico, que eles caracterizaram usando transporte assistido por defasagem. A eficiência foi mínima, portanto, a presença de coerência quântica não desempenhou um papel substancial no processo. A eficiência também era independente de quaisquer parâmetros estruturais, sugerindo o papel da evolução durante o projeto estrutural para outros usos.

Investigando efeitos quânticos em biologia

Durante a fotossíntese, a energia pode ser transferida de uma antena para um centro de reação para coletar luz e convertê-la em energia química para uso pelo organismo. Pares de buracos de elétrons ligados por exciton formaram os portadores de energia no processo fotossintético para transportar a energia solar coletada da antena para o centro de reação por meio de uma rede de bacterioclorofilas (pigmentos fotossintéticos que ocorrem nas bactérias), também conhecido como complexo de transferência de excitons (ETC). Os interesses na ETC se expandiram na última década, quando os pesquisadores usaram sinais de espectroscopia não linear ultrarrápida para demonstrar oscilações de longa duração. A descoberta de oscilações coerentes em ETCs apresentou a hipótese de que a coerência quântica ocorria dentro de complexos fotossintéticos naturais para auxiliar na transferência de energia. Harush et al. procurou entender se coerência quântica poderia existir no processo biológico de transferência de energia fotossintética. Se então, foi usado pelo sistema natural para aumentar a eficiência funcional? Embora o trabalho experimental e teórico tenha abordado essas questões, eles permanecem em grande parte sem resposta. Nesse trabalho, a equipe abordou as questões usando ferramentas desenvolvidas a partir da teoria de sistemas quânticos abertos. As descobertas sugerem que é improvável que os complexos fotossintéticos usem a coerência quântica para aumentar sua eficiência.

A equipe considerou três diferentes ETCs fotossintéticos (complexos de transferência de excitons) durante os experimentos. Estes incluem o complexo Fenna-Matthews-Olson (FMO) - que aparece em bactérias verdes de enxofre, a proteína criptófita ficocianina-645 (PC-645) - uma parte do aparato fotossintético em algas criptófitas, e coleta de luz 2 (LH2) - uma parte da bactéria fotossintética roxa Rhodopseudomonas acidophila. Todos os três complexos mostraram oscilações coerentes de transferência de energia em medições não lineares de espectroscopia bidimensional. A equipe traçou a corrente de exciton como uma função da taxa de defasagem para o complexo FMO e o complexo PC-645. A similaridade entre os gráficos indicou relativa insensibilidade da corrente à estrutura interna hamiltoniana. Usando as populações bacterianas Harush et al. testou o nível de "quantumidade" do sistema. Eles reconheceram isso usando uma conexão entre a população de excitons e a taxa de defasagem por meio do mecanismo de transporte quântico assistido pelo ambiente (ENAQT). O efeito ENAQT ficou claramente visível nos resultados uma vez que a corrente apresentou um máximo na taxa de defasamento. Contudo, o aprimoramento atual foi mínimo, com um aumento de aproximadamente 0,0015%, para indicar a natureza improvável do complexo de impor uma força motriz evolucionária significativa.

Efeito do ambiente na eficiência da transferência fotossintética

Em seguida, a equipe investigou o complexo LH2 (coleta de luz-2) para entender a conexão entre ENAQT (transporte quântico assistido pelo ambiente) e a população. Isso foi difícil devido à falta de separação espacial entre a antena e o centro de reação na construção. O complexo LH2 continha dois anéis de pigmentos bacteriófilos; B800 (anel amarelo) e B850 (anel azul) em homenagem a sua ressonância de absorção de energia em nanômetros e absorção de energia na região visível do espectro. Cada parte do complexo poderia absorver luz para excitar um exciton, que foi transferido de um dos anéis para o centro de reação, permitindo que muitos caminhos de transferência de excitons ocorressem. Contudo, uma curva de corrente versus defasagem para LH2 revelou a importância da coerência durante o transporte. A equipe então plotou a corrente como uma função da taxa de defasagem do sistema LH2 e observou um aumento muito pequeno na corrente de aproximadamente 0,05 por cento.

Atual, coerência e classicidade.

Os resultados do estudo estabeleceram a ausência de um aumento substancial na corrente de exciton ao comparar o caso totalmente quântico com as taxas de defasagem fisiologicamente realistas. Eles também levaram em conta os sistemas clássicos, que não foram definidos pela falta de coerência, embora suas coerências pudessem ser totalmente determinadas a partir das populações sem informações adicionais. Os pesquisadores já haviam quantificado a distinção entre sistemas quânticos e clássicos. Em um sistema clássico, as duas correntes serão iguais, implicando que as coerências quânticas não transportam informações adicionais através da dinâmica clássica.

O resultado deste estudo indicou como as estruturas de interesse em relação ao FMO, PC-645 e LH2 não evoluíram para aumentar a eficiência dos complexos. No futuro, Elinor Zerah Harush e Yonatan Dubi pretendem avaliar a origem do tempo de defasamento observado para confirmar se os valores calculados no estudo são únicos. A equipe também pretende compreender outras vantagens evolutivas potenciais dos complexos de transferência fotossintética, que irá guiar os biofísicos a compreender amplamente o possível papel dos efeitos quânticos nos complexos fotossintéticos.

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