Fotosentezdeki Kuantum Yürüyüş

Fotosentez %95 gibi yüksek bir enerji aktarım verimine ulaşır. Klorofilin içinde, anten pigmentler ışık biriktiren moleküllerden, en yakındaki tepkime merkezi proteinlerine doğru, olası yollardan seçilen biri boyunca enerjiye rehberlik eder. Biyologlar eskiden enerjinin tek bir yol boyunca molekülden moleküle sıçradığını varsayıyordu; yani fotosentez sırasında, eksiton enerjisinin klorofil ormanında sarhoş stratejisi ile ilerlediği düşünülüyordu. Ancak fotosentezdeki ilk olayın olağanüstü verimli bir basamak olduğu bilindiğinden, böylesi bir strateji pek makul gelmiyordu.

Yapılan hesaplamalar o şekilde sadece %50 verim elde edilebileceğini gösterdi. Bitkilerin mükemmele yakın verimlerini açıklamak için enerjinin bir kuantum süperpozisyon durumunda olması gerektiği ve aynı anda tüm olası moleküler yollar boyunca ilerlediği sonucuna varıldı; tıpkı veritabanındaki tüm girdileri eşzamanlı tarayabilen bir kuantum bilgisayar gibi. En hızlı yol belirlenir belirlenmez sistem süperpozisyondan çıkıp, bu rotaya giriyor ve tüm enerjinin her seferinde en iyi yoldan geçmesini sağlıyordu. Kuantum vuru, eksitonun klorofil labirentinde tek bir rota izlemek yerine, aynı anda pek çok güzergahı takip ettiğini gösteriyordu. Vurular, kuantum eşdurumluluğun imzasıydı ve klorofil moleküllerinin, yeni bulunan "kuantum yürüyüş" adlı bir arama stratejisiyle çalıştığı anlaşılıyordu. Görünüşe göre yaşamın, yoluna devam edebilmek için kuantum süreçlerinden yararlanması gerekiyordu.

2007 yılında, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Kampüsü'nden kimyacı Graham Fleming ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan bir deneyde, yeşil sülfür bakterileri mercek altına alındı. Deney -321℉ (-196℃) sıcaklıkta gerçekleştirilmişti ama benzer etkiler, Toronto Üniversitesi'nden Gregory Scholes liderliğinde oda sıcaklığındaki deniz algleri üzerinde yapılan 3 yıl sonraki deneylerde de görüldü. McFadden bunların çok şaşırtıcı deneyler olduklarını, fizikçiler bu kadar zamandır kuantum bilgisayar yapmaya uğraşırlarken, her gün salata olarak kuantum bilgisayar yediklerinin farkına vardıklarını anlatıyor.

Solunum Zinciri

Bitkilerdeki fotosentez, kendi hücrelerimizde gerçekleşen solunum (gıdaların yakılması) olayıyla karşılaştırılırsa, hayvanlarla bitkilerin özde o kadar da farklı olmadığı görülür. Aramızdaki esas ayrım, yaşamın temel yapıtaşlarını nereden elde ettiğimizdedir:

• Onlara da bize de karbon gerekiyor. Ancak bitkiler karbonu havadan alırken, biz organik kaynakları, mesela bitkilerin kendisini kullanırız.
• Onlara da bize de biyomoleküllerin yapımı için elektronlar gerekiyor. Ancak biz elektron yakalamak için organik molekülleri yakıyoruz, bitkilerse elektronlarını tutmak için suyu yakıyor.
• Onlara da bize de enerji gerekiyor. Biz enerjiyi gıdalardan gelen yüksek enerjili elektronları solunum sürecinde enerji tepelerinden aşağı koşturarak elde ederken, bitkiler güneşin fotonlarını yakalıyor.

Bu işlemlerin her biri, kuantum kurallarına göre işleyen temel parçacıkların hareketi ile gerçekleşir. Solunum, karbon temelli bir yakıtın, mesela gıdalarla aldığımız besin maddelerinin yanmasıyla başlar. Örneğin karbonhidratlar bağırsaklarımızda glukoz gibi şekerlere parçalanır ve bunlar da kan dolaşımına karışarak enerji açlığı çeken hücrelere ulaştırılır. Bu şeker yakıtını yakmak için gereken oksijen de akciğerlerden aynı hücrelere kan yoluyla ulaşır. Tıpkı kömürün yanmasında olduğu gibi, moleküldeki karbon atomlarının dış yörüngelerinde bulunan elektronlar, NADH denen bir moleküle aktarılır. Ancak bu elektronlar oksijen atomlarına bağlanmak üzere hemen kullanılmak yerine, hücrelerimizde enzimlerden oluşan bir solunum zinciri boyunca, bayrak yarışında bir koşucudan diğerine geçen bayrak misali, enzimden enzime aktarılır.

Elektron, her aktarım basamağında daha düşük bir enerji seviyesine taşınır ve oluşan enerji farkı, protonları mitokondriden dışarı pompalayan enzimleri çalıştırmak için kullanılır. Mitokondrinin iç ve dış ortamları arasında meydana gelen proton gradyanı (proton derecesi değişimi) ise ATP denen bir biyomolekülün yapımında kullanılan ATPaz adlı bir başka enzimin devri için kullanılır. ATP, bütün canlı hücrelerde bir tür enerji bataryası gibi işlev gören ve vücudu hareket ettirmek ya da onarmak gibi enerji gerektiren pek çok olayda hücre içinde oradan oraya kolayca taşınabilen çok önemli bir moleküldür.

Elektron taşıma sistemiyle çalışan proton pompası enzimleri, suyu yokuş yukarı pompalayarak enerji fazlasını depolayan hidroelektrik pompalara benzer. Daha sonra suyun aşağıya doğru akmasına izin verildiğinde açığa çıkan enerji, elektrik enerjisi üreten bir türbin motorunu döndürür. Benzer şekilde solunum enzimleri de protonları mitokondri dışına pompalar. Protonlar tekrar içeriye akarken, türbin benzeri ATPaz enziminin devri için gereken enerjiyi sağlar. Bu devirler, yüksek enerjili bir fosfat grubunu enzim içindeki bir moleküle bağlayarak ATP yapımını sağlayan bir dizi başka koreografik moleküler hareketi yürütür.

Elektron enerjisinin bu şekilde azar azar zapt edilmesi, işlemin bütününü, enerjinin olduğu gibi oksijene boşaltılmasından çok daha verimli kılar; çünkü böylelikle çok küçük bir bölümü ısı enerjisi olarak kaybedilir. O halde, solunum sırasında gerçekleşen temel olayların aslında soluk alıp vermeyle pek alakası yoktur. Solunum, elektronların hücrelerimizdeki solunum enzimleri zincirinde düzenli aktarımıdır. Zincirdeki bir enzimle bir sonraki arasında gerçekleşen her elektron aktarımı, çok sayıda atomun doldurabileceği onlarca angströmlük mesafelerin aşılmasını gerektirir ve bu, alışılageldik elektron sıçramasıyla aşılabileceği düşünülen mesafenin çok üzerindedir.

Solunum bilmecesinin gizemi, bu enzimlerin elektronları böylesine büyük moleküler boşluklardan nasıl olup da bu denli çabuk ve verimli şekilde kaydırabildiğidir. Bugün artık elektronların solunum zincirinde kuantum tünellemeyle yolculuk ettiğinden kuşku duyan pek az bilimci vardır. Oxford Üniversitesi’nden Vlatko Vedral ve ekibinin çalışmaları da bu gizemin süperpozisyon ile açıklanabileceğine ilişkin ipuçları vermektedir. Yani hayvanlarda ve fotosentez kullanmayan mikroorganizmalarda enerji kullanılan en önemli tepkimelerin, kesinlikle kuantum biyolojinin alanına girdiği anlaşılıyor.

Fakat elektronlar, kuantum dünyasının standartlarına göre bile fazlasıyla hafif olduğundan, davranışları da kaçınılmaz olarak "dalga benzeri"dir. O yüzden, elektronlar oradan oraya sıçrayarak hareket eden minik klasik parçacıklar gibi düşünülmemelidir. Ama işin aslı şu ki, standart biyokimya metinlerinin çoğu hâlâ "güneş sistemi" şeklindeki atom modeli esas alınarak yazılmaktadır.

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.