Sinh học lượng tử: Tảo tắt-bật sự gắn kết lượng tử

Một nhóm nghiên cứu của Đại học New South Wales (Ôxtrâylia) đã phát hiện ra cách cryptophytes tồn tại ở mức ánh sáng rất thấp có thể bật và tắt một hiện tượng lượng tử kỳ lạ xảy ra trong quá trình quang hợp.

Ảnh hiển vi quét điện tử của cryptophytes. Một nhóm nghiên cứu của ĐH New South Wales (Úc) đã phát hiện ra cách cryptophytes tồn tại ở mức ánh sáng rất thấp có thể bật và tắt một hiện tượng lượng tử kỳ lạ xảy ra trong quá trình quang hợp.

Chức năng của hiệu ứng lượng tử này, được gọi là sự gắn kết, ở trong tảo vẫn còn là một bí ẩn, nhưng người ta cho rằng nó có thể giúp chúng khai thác năng lượng từ mặt trời một cách hiệu quả hơn nhiều. Việc tìm ra vai trò của nó trong sinh vật sống có thể dẫn đến những tiến bộ công nghệ, chẳng hạn như pin năng lượng mặt trời hữu cơ tốt hơn và các thiết bị điện tử dựa trên lượng tử.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Kỷ yếu Viện hàn lâm khoa học Hoa Kỳ. Đây là một phần của lĩnh vực đang nổi lên được gọi là sinh học lượng tử, trong đó một bằng chứng ngày càng rõ nét là hiện tượng lượng tử đang diễn ra trong tự nhiên, chứ không chỉ trong phòng thí nghiệm, và thậm chí có thể có vai trò giúp các loài chim điều hướng bằng cách sử dụng từ trường của trái đất.

"Chúng tôi nghiên cứu một loài tảo đơn bào nhỏ gọi là cryptophytes phát triển mạnh ở đáy hồ nước, hoặc dưới lớp băng dày, nơi có rất ít ánh sáng", tác giả chính của nghiên cứu, giáo sư Paul Curmi ở trường Vật lý của Đại học New South Wales, nói.

"Hầu hết cryptophytes có một hệ thống khai thác ánh sáng có sự gắn kết lượng tử. Nhưng chúng tôi đã tìm thấy một lớp cryptophytes mà hiện tượng này bị tắt vì một đột biến gen làm thay đổi hình dạng của một loại protein khai thác ánh sáng”.

"Đây là một phát hiện thú vị. Nó có nghĩa là chúng ta sẽ có thể tìm ra vai trò của sự gắn kết lượng tử trong quang hợp bằng cách so sánh các sinh vật với hai loại protein khác nhau".

Trong thế giới kỳ lạ của vật lý lượng tử, một hệ thống gắn kết - trong đó tất cả các sóng lượng tử cùng bước với nhau - có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc, một hiệu ứng gọi là chồng chập. Hiện tượng này thường chỉ quan sát thấy trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ.

Vì vậy, năm 2010, nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra việc truyền năng lượng giữa các phân tử trong các hệ thống khai thác ánh sáng từ hai loài cryptophyte khác nhau mang tính gắn kết.

Hiệu ứng tương tự cũng đã được tìm thấy trong vi khuẩn lưu huỳnh xanh lục tồn tại ở các vùng có mức ánh sáng rất thấp.

"Giả định ở đây là điều kiện này có thể làm tăng hiệu quả của quang hợp, cho phép tảo và vi khuẩn tồn tại trong vùng hầu như không có ánh sáng", giáo sư Curmi nói.

"Khi một protein khai thác ánh sáng nhận được ánh sáng mặt trời, nó cần phải đưa năng lượng trong đó đến trung tâm phản ứng trong tế bào càng nhanh càng tốt, tại đó năng lượng được chuyển đổi thành năng lượng hóa học cho các sinh vật”.

"Giả định năng lượng đi đến trung tâm là phản ứng một cách ngẫu nhiên, giống như một người say rượu về được đến nhà. Nhưng sự gắn kết lượng tử sẽ cho phép năng lượng này cùng một lúc kiểm tra tất cả các đường đi có thể trước khi đi theo một tuyến đường nhanh nhất".

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tinh thể học X-quang để nghiên cứu các cấu trúc tinh thể của phức hợp khai thác ánh sáng từ ba loài cryptophytes khác nhau.

Họ phát hiện thấy rằng trong hai loài, đột biến di truyền đã dẫn đến sự chèn thêm một axit amin làm thay đổi cấu trúc của phức hợp protein, phá vỡ sự gắn kết lượng tử.

"Điều này cho thấy cryptophytes đã phát triển một công tắc di truyền đơn giản nhưng mạnh mẽ để kiểm soát sự gắn kết lượng tử và thay đổi các cơ chế được sử dụng để thu nhận ánh sáng", giáo sư Curmi nói.

Theo Vista.vn