Langsung ke konten utama

Tanaman Serap Cahaya Terapkan Kuantum Mekanika untuk Mendorong Fotosintesis

loading...
Tinuku
(KeSimpulan) Fotosintetik menggunakan koherensi kuantum untuk secara efisien menyalurkan energi masuk dari foton. Menurut penelitian baru yang diterbitkan di Nature pada 4 Februari, dalam waktu kurang dari satu miliar perdetik, tanaman algae mengubah 95 persen sinar matahari yang ditangkapnya (1017 joule per detik) menjadi energi yang disimpan secara kimiawi sebagai karbohidrat. Kunci kuantum untuk melakukan hal itu terletak pada fenomena yang dikenal oleh fisikawan kuantum koherensi (quantum coherence).

Kuantum koheren menggambarkan bagaimana lebih dari satu molekul berinteraksi dengan energi yang sama dari masuknya satu foton pada waktu yang sama. Pada intinya, energi dari foton tertentu untuk memilih salah satu rute sistem fotosintesis yang dilalui, ia bergerak melalui beberapa saluran secara bersamaan, memungkinkan untuk memilih rute tercepat. "Energi cahaya yang terserap adalah menemukan lebih dari satu jalur untuk bergerak bersama pada suatu waktu. Kita tidak bisa menentukan energi dari cahaya, ini bersama dengan cara yang sangat istimewa," kata Greg Scholes fisikawan kimia dari University of Toronto, yang memimpin tim penelitian.

Scholes dan koleganya mengisolasi "antena" (rantai protein yang menyebarkan energi yang masuk) dari organisme fotosintetik yang dikenal sebagai cryptophytes, khususnya ganggang laut Rhodomonas CS24 dan Chroomonas CCMP270. Cryptophytes istimewa karena mereka tidak semuanya menggunakan protein yang sama untuk memanen energi sinar matahari, seperti klorofil dalam tumbuhan hijau. "Ini penyesuaian antena protein mereka. Mereka sangat berbeda warna," kata Scholes yang mencatat bahwa ganggang juga memiliki flagella yang memungkinkan mereka untuk bergerak.

Ganggang dengan warna antena berbeda memungkinkan para kimiawan tentang pulsa protein spesifik dengan femtosecond (satu quadrillionth per detik) semburan sinar laser. Didasarkan pada skala peta atom yang disediakan sebelumnya dengan X-ray crystallography, para peneliti melacak energi seperti memasuki sistem fotosintesis dan berkembang melalui apa yang disebut reaction centers, di mana terjadi penyimpanan energi.

Pulsa mengungkapkan bahwa dalam molekul protein tunggal, energi berjalan dengan beberapa rute secara bersamaan. Dengan demikian, efesiensi antena protein bergantung pada koherensi kuantum, sehingga molekul-molekul dalam protein yang dipisahkan oleh jarak (pada skala atom) bertindak dengan cara yang sama dan pada waktu yang sama untuk jangka waktu yang relatif lebih dari 400 femtoseconds.

Sedangkan penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa bakteria purple menggunakan metode kuantum secara efisien untuk memanfaatkan cahaya, eksperimen sebelumnya telah menunjukkan efek kuantum serupa pada bakteri belerang hijau yang telah didinginkan pada 77 skala kelvin (-196 derajat Celsius), eksperimen ini adalah yang pertama kali dilakukan di suhu kamar, 294 K, untuk meniru efek.

Pada dasarnya, menurut penelitian ini, sebuah foton masuk menciptakan serangkaian riak-riak, seperti batu yang dilemparkan ke dalam kolam yang mengganggu satu sama lain untuk memungkinkan gelombang energi dalam mengeksplorasi semua potensi jalur melalui molekul protein yang diberikan pada saat yang sama, sehingga tidak ada energi yang akan hilang karena jalan yang salah. Seolah-olah anda berkendaraan melalui tiga rute yang berbeda pada saat yang sama, tidak kehilangan waktu atau energi untuk keterlambatan lalu lintas pada setiap rute yang dilalui. Memungkinkan foton untuk menuju ke pusat reaksi hampir seketika.

"Dalam sistem yang kami pelajari, bahkan pada suhu kamar, anda dapat memiliki efek kuantum ini dan cukup signifikan," kata Scholes. Efek yang berarti sebagai "relevansi biologis" (digunakan oleh cryptophytes dalam kehidupan sehari-hari mereka). Pulsa laser pendek digunakan untuk mengekspos fenomena, bukan untuk menciptakannya.

Graham Fleming, kimiawan dari University of California, Berkeley, telah menunjukkan bahwa efek seperti yang terlihat dalam sistem klorofil pada temperatur rendah. Kemudian Gregorius Engel dan biofisikawan dari University of Chicago, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, berpendapat bahwa efek seperti itu kemungkinan digunakan dalam semua sistem fotosintesis, sehingga tanaman secara efisien mentransfer energi yang melewati jarak atom. "Efek ini muncul dalam proses cryptophytes secara umum. Studi ini akan membuka pintu teknik baru untuk bergerak dan berkonsentrasi pada efesiensi energi. Hal ini sangat penting bagi perangkat semikonduktor [dan] memanen cahaya matahari," kata Engel.

Bahkan, pendekatan seperti itu dapat membantu menginformasikan cara yang efisien untuk mentransfer energi atom jarak jauh dengan cepat dalam sistem buatan untuk memanen sinar bintang berjarak miliaran tahun. "Apakah bisa membantu anda membuat lompatan besar melalui ruang angkasa? Itu tidak tepat. Ini akan sangat baik untuk mempelajari beberapa trik atau apa yang anda perlukan untuk berpikir tentang merancang sesuatu yang akan memindahkan energi jarak jauh dengan cepat," kata Scholes.
Ikuti sains dan teknologi terkini di: Laporan Penelitian
Update via: Google+ Twitter Facebook Pinterest YouTube
Kesimpulan.com menerima konten tentang teknologi, sains, lingkungan dan bisnis dari siapa saja. Kami siap untuk publikasi dan press release. Informasi lanjut kunjungi laman ini.

Komentar