Conhecimentos Gerais

As plantas usam a mecânica quântica para realizar a fotossíntese?

As plantas podem utilizar a mecânica quântica para prevenir a decoerência durante a fotossíntese, o que torna o processo mais eficiente.

Em 2007, uma equipe de pesquisa composta por pesquisadores da University of Chicago e da University of Washington, nos EUA, além do Instituto de Física da Charles University em Praga, propôs que as plantas utilizassem a mecânica quântica e realizassem computação quântica. Os pesquisadores propuseram que a mecânica quântica, que muitos ainda consideram o domínio da ficção científica (pelo menos por enquanto), estava ocorrendo em seu jardim.Isso foi inicialmente considerado tão absurdo que, quando o artigo alegando as capacidades quânticas das plantas foi publicado, os cientistas riram. As máquinas quânticas, como os computadores quânticos, exigiam condições especializadas, como temperaturas abaixo de zero e um vácuo primitivo para funcionar. Dadas essas condições intensas, parecia impossível que as plantas que vivem no mundo real, onde as temperaturas podem chegar a 40 graus centígrados e moléculas como água e dióxido de carbono estão constantemente atingindo tudo, também pudessem se engajar na mecânica quântica.

No entanto, à medida que os cientistas investigaram mais essa afirmação ridícula, as evidências da natureza quântica das plantas apenas se tornaram mais fortes.

Então, para que as plantas usam a mecânica quântica e como o fazem?

Uma visão geral da fotossíntese (Crédito da foto: VectorMine / Shutterstock)

Onde a mecânica quântica é usada na fotossíntese?

A fotossíntese é uma das espinhas dorsais da vida em nosso planeta. Fornece oxigênio e alimentos ao mundo usando o dióxido de carbono do ar. Tudo isso é movido pela energia do sol.

Moléculas chamadas cromóforos (uma das quais é a clorofila) capturam fótons presentes na luz solar.

Observação: escreverei “plantas” quando quiser me referir a organismos fotossintéticos, mas lembre-se de que as plantas não são as únicas que realizam a fotossíntese. Algas, protistas e algumas bactérias também fazem isso!

Quando os fótons atingem os cromóforos, eles passam sua energia para um elétron da molécula de clorofila. Este elétron agora está energizado, como um adulto que acabou de tomar seu café da manhã. A energia combinada com o elétron é agora chamada de exciton .

Esse exciton deve chegar a um local denominado centro de reação. O centro de reação é onde o exciton depositará sua energia, que acabará por se tornar ATP, a forma de energia que as plantas podem usar para fazer comida (e fazer outras coisas). Muitos outros processos devem acontecer antes que o ATP seja formado, mas isso vai além do escopo deste artigo.

Levar o exciton para o centro de reação não é um processo simples, e é aí que a mecânica quântica entra em cena.

A fotossíntese pode evitar a descoerência

A visão clássica é que o exciton pode saltar de um cromóforo para outro até que finalmente encontre seu caminho para o centro de reação. Isso é popularmente descrito como uma “caminhada embriagada”, um “pulo” aleatório até chegar ao destino desejado.

A ‘caminhada embriagada’ de excitons até o centro de reação. (Crédito da foto: CNX OpenStax
/ Wikimedia Commons)

No entanto, ao contrário dessa visão, os cientistas notaram que o exciton nunca é realmente perdido. Ele nunca se desviou e depositou a energia em outro lugar e quase sempre encontrou seu caminho para o centro de reação. Se for um “tropeço bêbado”, então o exciton provavelmente deve se perder de vez em quando. Esse “ficar perdido” acontece em sistemas biológicos, então por que não aqui?

O artigo de 2007 propôs que os organismos fotossintéticos foram capazes de prevenir algo chamado decoerência.

O que é Superposição e Decoerência?

Na física clássica, se você está na fila de um café, não pode estar ao mesmo tempo no trabalho ou dirigindo o carro. Você só pode estar em um lugar por vez.

Este não é o caso das partículas quânticas. Se você fosse uma partícula quântica, haveria diferentes probabilidades de você estar no café, no trabalho ou no carro.

Quando os cientistas querem saber onde você – a partícula quântica – pode ser encontrada, eles precisam medir. Quando eles fazem isso, eles o forçam a estar em um lugar. No entanto, até que eles meçam exatamente onde você está, você está simultaneamente na cafeteria, no carro e no trabalho.

O ato de estar em vários lugares ao mesmo tempo é chamado de superposição.

O exciton verifica simultaneamente todas as suas portas em direção ao centro de reação

Isso é algo que os processos fotossintéticos também podem usar para levar o exciton ao centro de reação.

Como o exciton, uma partícula quântica, pode estar em vários lugares ao mesmo tempo, ele pode seguir todas as rotas para o centro de reação simultaneamente. Imagine esse processo como se você fosse pego em um labirinto. Levaria menos tempo para você sair do labirinto se pudesse se dividir em muitas versões diferentes de si mesmo e explorar todas as rotas simultaneamente, em vez de explorar todas as rotas possíveis uma de cada vez e, conseqüentemente, se perder.

O exciton está em um labirinto e precisa chegar ao centro de reação, então suas propriedades quânticas vêm em seu socorro e permitem que ele esteja em todos os lugares ao mesmo tempo, e assim encontre o caminho mais rápido para o centro de reação.

Mas lembra como eu disse que medir uma partícula quântica a forçaria a estar em apenas um lugar? Essa medição, na verdade, consiste em um fóton atingindo a partícula quântica (é por isso que o vácuo é tão importante para fazer as coisas quânticas acontecerem em laboratórios). Em termos quânticos sofisticados, o fóton faz o “colapso da função de onda” e a partícula quântica começa a agir como uma partícula clássica entediante, localizada em um lugar ao mesmo tempo.

Essa mudança de quântica para clássica é chamada de decoerência. O oposto é a coerência, quando a partícula quântica ainda está agindo como uma onda e uma partícula e fazendo coisas quânticas muito estranhas.

Organismos fotossintéticos parecem evitar a decoerência

Agora, a vida é complicada e quente e cheia de muitas moléculas saltando. Seria razoável esperar que todas essas moléculas em movimento, sem mencionar os fótons da luz do sol chovendo, levariam o exciton à decoerência.

No entanto, se o artigo de 2007 e o trabalho subsequente no campo forem verdadeiros, então sim, as algas e bactérias fotossintéticas conseguem evitar a decoerência. Exatamente como eles fazem isso permanece a questão. Esta questão relativa ao mecanismo fez muitas dúvidas se a vida pode usar a mecânica quântica de alguma forma!

A mecânica quântica da fotossíntese é exagerada?

Acho que não podemos evitar mais o quantum

No entanto, como acontece com qualquer afirmação nova e ousada, vem o ceticismo e a controvérsia. A principal disputa é sobre como interpretar as evidências da experimentação. O artigo de 2007 interpretou certas “batidas” que foram encontradas por meio de sua experimentação como evidência de coerência quântica. Em 2013, pesquisadores da Universidade do Colorado, em Boulder, contestaram que essas “batidas” não eram realmente evidências de atividade quântica. Em vez disso, eles não eram nada além de energias vibracionais dos cromatóforos. Cada molécula possui uma certa quantidade de energia, fazendo-a vibrar com sua própria frequência única. A interpretação clássica versus a quântica está no centro deste debate.

Mesmo assim, os processos biológicos raramente são tão preto e branco. Existe a possibilidade de que, embora as energias vibracionais sejam dominantes, parte do mecanismo também pode ser uma parte do reino quântico.

No final, entender exatamente como as plantas transferem sua energia pode nos ajudar a criar novas tecnologias de ponta, como a energia solar, para serem ainda mais eficientes.

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Gilvan Alves

23 Anos de idade, Técnico em Rede de Computadores, Sempre em busca de aprender algo novo todos os Dias!

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