Niemieccy i izraelscy naukowcy badają rolę kwantowych efektów spinowych w transporcie energii

Zjawiska z obszaru fizyki kwantowej coraz wyraźniej manifestują swoją obecność w złożonych procesach biologicznych, zwłaszcza tych, które dotyczą absorpcji promieniowania świetlnego oraz wydajnego transferu energii. W odpowiedzi na te fascynujące odkrycia, interdyscyplinarny zespół ekspertów z następujących placówek połączył siły, aby zgłębić mechanizmy kwantowe sterujące dynamiką elektronów w układach żywych:

• Uniwersytet w Münster
• Uniwersytet w Ulm
• Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie

Ich wspólne przedsięwzięcie badawcze, zatytułowane „Kwantowe efekty spinowe u podstaw energetycznych bioprocesów”, zyskało uznanie Fundacji Volkswagena. Organizacja ta, w ramach wizjonerskiego programu „NEXT — Biologia Kwantowa”, przyznała na ten cel fundusze przekraczające dwa miliony euro, co podkreśla wagę i innowacyjność prowadzonych prac.

Profesor Martin Plenio, jeden z liderów projektu, zwraca uwagę na fakt, że kluczowe operacje biologiczne, takie jak fotosynteza, odbywają się w tempie, którego nie sposób racjonalnie uzasadnić, opierając się wyłącznie na paradygmatach fizyki klasycznej. Ta luka w wiedzy skłoniła naukowców do poszukiwania odpowiedzi w świecie kwantów, gdzie tradycyjne bariery przestają obowiązywać. Głównym celem grupy jest zdefiniowanie, w jaki sposób zasady mechaniki kwantowej optymalizują i radykalnie przyspieszają te procesy, które stanowią fundament życia. Kluczowym narzędziem w tej analizie jest spin elektronu – specyficzna cecha kwantowa, będąca wewnętrznym momentem pędu, która generuje moment magnetyczny zdolny do modulowania prędkości, z jaką elektrony przemieszczają się wewnątrz struktur biologicznych.

Badania wykazują, że siła oddziaływań magnetycznych jest nierozerwalnie związana z architekturą przestrzenną cząsteczek biologicznych, a w szczególności z ich chiralnością, określaną często mianem „ręczności”. W tym kontekście molekuły chiralne działają jak precyzyjne filtry spinowe, co oznacza, że elektrony o konkretnej orientacji spinu mogą przenikać przez nie znacznie łatwiej niż inne. Zjawisko to, zdefiniowane w literaturze naukowej jako efekt selektywności spinowej indukowanej chiralnością (CISS), ustanawia bezpośrednią korelację między symetrią geometryczną cząsteczki a spinem elektronu. Takie powiązanie niesie ze sobą dalekosiężne konsekwencje dla nauki, oferując nowe spojrzenie na homochiralność, czyli unikalną cechę życia polegającą na wykorzystywaniu tylko jednej formy enancjomerów w budowie organizmów.

Dotychczasowe osiągnięcia w badaniu efektu CISS otworzyły nowe horyzonty nie tylko w biologii, ale również w nowoczesnej spintronice, gdzie precyzyjna kontrola spinu jest kluczem do rozwoju technologii przyszłości. Zespół z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie wniósł do projektu istotne odkrycie, wykazując, że spin elektronów ma bezpośredni wpływ na transport protonów w środowiskach o strukturze chiralnej. Mechanizm ten opiera się na wzbudzaniu tak zwanych chiralnych fononów, które działają jak katalizator przyspieszający ruch protonów – cząstek o fundamentalnym znaczeniu dla procesów bioenergetycznych zachodzących w komórkach. Dzięki temu odkryciu, zjawisko transferu protonów przestaje być postrzegane jedynie jako reakcja chemiczna, stając się pełnoprawnym elementem fascynującego świata procesów kwantowych, co może zrewolucjonizować nasze podejście do biofizyki.