Süperpozisyon ve Fotosentez: Bitkiler, Kuantum Mekaniğinden Nasıl Faydalanıyor?

Fotosentez, özellikle okulda görmüş olduğumuz "temel biyoloji eğitimi" dolayısıyla hepimizin aşina olduğu bir kavramdır. Bu, gezegenimizde hayat olmasını sağlayan çok önemli bir süreç. Kelime anlamından da anladığımız üzere bu, ışığın kullanımı ile enerji üretimini sağlayan bir olaydır (fotosentez sözcüğü foto, yani "ışık" [fotonlar] ve sentez, yani "bir şeyin oluşumu, birleşimi" anlamındaki sözcüklerin birleşiminden gelmektedir). Ağaçlar ve algler dahil, her bitki bu süreci gerçekleştirir. Bir bitki karbondioksit, su ve gün ışığı alır ve bunları şeker (glikoz), oksijen ve enerjiye dönüştürür.

Bitkilerin çoğunda fotosentez süreci, yapraklarda gerçekleşir. Yaprakların yüzeyinde bulunan stoma adlı gözenekler, karbon dioksidi mezofil tabakasına ulaştırırken, oksijeni serbest bırakırlar. Her mezofil hücresi, kloroplast adı verilen organeller içerir, fotosentez sürecini gerçekleştiren de bunlardır. Kloroplastların içinde tilakoid adlı, diske benzeyen yapılar vardır, bunları aşağıdaki resimde görebilirsiniz:

Britannica

Tilakoidler, üst üste dizilerek granaları meydana getirirler. Bu yeşil diskler, klorofil olarak adlandırılan yeşil pigmentlerle doludur. Gün ışığının, fotonlardan kullanılabilir enerjiye nasıl dönüştüğünü anlamak için, klorofillerin yapısına daha yakından bakmalıyız.

Pngwing

Klorofil molekülünde, uzun bir karbon ve hidrojen iskeleti mevcuttur. Magnezyum atomunun etrafı, azot ve karbon atomlarıyla sarılıdır. Bu durumda magnezyum atomunun son elektron seviyesinde bir elektron olacak ve bitki, gün ışığı aldığı zaman, fotonun enerjisi bu elektrona etki ederek atomdan uzaklaşmasını sağlayacaktır.

Şimdi önemli kısıma geçiyoruz: Elektronun atomdan uzaklaşmasıyla, atomun elektron seviyesinde pozitif yüklü bir boşluk kalacaktır. Elektronun önceden bulunduğu seviyede oluşan pozitif boşluk ve negatif yüklü elektron, birlikte eksiton (exciton) adı verilen bir yapıyı oluşturur. Oluşan bu yapı, enerji depolayabilir. Bunu, iki kutuplu bir pil olarak düşünebilirsiniz.

Wikipedia

Fotonlar aracılığı ile enerji üretebilmek için, eksitonların reaksiyon merkezine doğru hareket etmesi gerekir; çünkü kimyadan da bildiğimiz üzere, magnezyumdan kopan elektron, stabil bir molekül oluşturmak adına başka bir moleküle bağlanmalıdır.

Kloroplastta bulunan klorofiller, yoğun bir şekilde ‘’paketlenmiş’’ durumdadırlar. Bu durumda eksiton ne yönde hareket etmesi gerektiğini nereden "bilecektir"?

Bilim insanları, uzun yıllar boyunca bu hareketin aslında rastgele gerçekleştiğini düşünüyordu, yani tahminleri, en yakın reaksiyon merkezine ulaşana kadar eksitonların rastgele molekülden moleküle hareket ettiği yönündeydi. Ancak, eğer durum sahiden böyle olsaydı, eksitonların kaybolma ihtimali reaksiyon merkezine ulaşma ihtimalinden çok daha yüksek olurdu. Eksitonlar kaybolsaydı, fotosentez süreci gerçekleşemezdi.

Doğada meydana gelen bu süreç neredeyse hatasız bir şekilde gerçekleşmektedir. Bilim insanları, yakın bir zamana kadar bunu nasıl açıklayacağını bilemiyordu. Böyle verimli bir süreç, klasik biyoloji verileri ile nasıl açıklanabilirdi?

Süperpozisyonu Anlamak

Elbette bunu yapmak çok zordu; çünkü bu önemli biyolojik sürecin eksik parçaları, kuantum fiziği olmadan tamamlanamazdı.

İçinde bulunduğumuz makro evrende, aynı anda iki yerde bulunmak imkansız, öyle değil mi? Eğer evinizin bahçesinde iseniz, aynı anda evin içinde de bulunamazsınız. Kuantum dünyasında ise, makro evrenin alışılmış kuralları geçerli değil. Fotosentezin nasıl kuantum mekaniğini kullanarak gerçekleştiğini anlamamız için, kuantum süperpozisyonunu inceleyelim:

MIT’de profesör olan önemli teorik fizikçilerden Allan Adams, kuantum süperpozisyonunu ilginç bir örnekle açıklamıştı. Elektronların iki özelliğini belirleyebildiğimizi varsayalım: renk ve sertlik. Elektronların rengi ya beyaz ya da siyahtır, kırmızı bir elektron olamaz. Ya sert ya da yumuşak olabilirler, başka bir ihtimal yoktur. Şimdi, elektronların sertliğini ve rengini belirleyebilecek iki ayrı makine düşünelim. Bu makinelerin nasıl çalıştığı hiç önemli değil, dilerseniz makinenin içinde elektronları gözle görebilecek, konuşan bir pandanın olduğunu bile düşünebilirsiniz, orası tamamen sizin hayal gücünüze bağlı; ama makinelerin nasıl çalıştığının deneyin sonuçlarıyla hiçbir ilgisi yok. Önemli olan, düzgün çalışıyor olmaları.

Gözünüzün önüne elektronların rengini belirleyecek bir makine getirin. Bu makinenin bir tarafından rastgele elektronlar girsin ve iki ayrı çıkışı olsun; siyah olanlar birinci çıkıştan, beyaz olanlar ise ikinci çıkıştan çıksın. Buna benzer şekilde, elektronların sertliğini belirleyecek bir makine de hayal edebiliriz. Birinci makine ile aynı mekanizmayla çalışsın: Giriş bölümünden makineye giren rastgele seçilmiş elektronlar, eğer sert ise birinci çıkıştan, yumuşak ise ikinci çıkıştan çıksınlar.

Arka arkaya dizilmiş iki renk belirleyen makine düşünün. Birinci makineye giren elektronların tümü beyaz olsun, bu beyaz elektronlar ikinci makineye girdikten sonra 0% oranda siyah, 100% oranda beyaz elektron çıkmış olacaktır. Başka bir deyişle, sonuç değişmeyecektir. Aynı deneyi diğer makinelerle de yapsak, aynı sonucu alırız.

Diyelim ki rastgele elektronları önce bir renk makinesinden geçirdik ve bu elektronların hepsi beyazdı, bunun ardından sertliği belirleyen makineden geçirildiklerinde bu elektronların %50’si sert, %50’si yumuşak olacaktır. Bunların sırası değişseydi – önce sertliğe, sonra renklere baksaydık yine aynı sonucu alacaktık.

Peki, başka bir şey deneyelim: Diyelim üç makine var (renk, sertlik, renk) ve birinci makineden yalnızca beyaz elektronlar, ikinci makineden de yalnızca yumuşak elektronlar çıkıyor. Üçüncü makineye sadece yumuşak, beyaz elektronların ulaşmasını bekleriz, değil mi? Birinci makineden çıkan elektronların tümü beyaz olduğuna göre, elbette üçüncü makineden çıkan elektronların da %100’ünün beyaz olmasını bekleriz.

Ancak gerçekte olan, bu değildir. Bu elektronların %50’sinin beyaz, %50’sinin de siyah olduğu ortaya çıkar.

Peki ama bu nasıl mümkün olabilir?

İnsanların ilk tepkisi genelde şöyle olur: "Elektronun gözden kaçırdığımız bir özelliği, bize ikinci renk makinesinden beyaz olarak mı veya siyah olarak mı çıkacağını gösterebilir." Özellikle Newton fiziği eğitimi görerek büyüyen nesiller için, böyle bir tepki vermek gayet doğaldır. Oysa kuantum dünyasında kesinlik diye bir şey yoktur.

Bunun üzerinde birçok bilim insanı araştırmalar yürütmüş, böyle bir özelliğin olup olmadığını incelemiştir. Hepsi aynı sonuca varmıştır: Bu olay, tamamen rastgele gerçekleşen ve her zaman aynı sonucu veren bir süreçtir. Hatta, her deneyin neticesinde aynı sonucu almakla kalmıyoruz, %50-%50 ihtimalini de değiştiremiyoruz.

Bir Diğer Kuantum Deneyi...

Birinci renk makinesinden sadece beyaz elektronlar çıksaydı ve sertlik makinesinden beyaz, yumuşak elektronlar çıksaydı, ikinci renk makinesinden %50 siyah ve %50 beyaz elektronların çıkacağını gördük. Peki, bu elektronlar yansıtılsaydı ne olurdu? Yansımaları da mı aynı sonucu verirdi? Aynaları kullanarak üç deney yapalım:

Beyaz elektronları, sertliği belirleyen bir makineden geçirelim. Makinenin iki tarafında birer ayna olsun ve bu aynalar, elektronların hareket yönünü değiştirmek dışında bir şey yapmasın. Bunların ilerisinde, ikisinin arasında olacak şekilde bir ayna daha olsun ve bu ayna, iki aynadan gelen ışınları tek bir ışın haline getirsin. Buradan çıkan elektronlar ise son bir makineden geçsin; bu elektronların yüzde kaçı sert, yüzde kaçı yumuşak olacaktır?

Beyaz elektronların makineye girdiklerinde, %50 yumuşak, %50 sert olma ihtimalleri vardır. Yumuşak olanlar yumuşak, sert olanlar da aynı şekilde yansıyacaktır; çünkü aynaların tek yaptığı elektronların hareket yönünü değiştirmektir. İki ışının tek bir ışına dönüştüğü üçüncü aynada da durum aynıdır, elektronların %50’si sert, %50’si yumuşaktır; bu yüzden son makineye girdiklerinde sertlik ve yumuşaklık oranı tekrar %50-%50 olacaktır.

Buna başka bir açıdan da yaklaşabiliriz: Örneğin, beyaz elektronlar makineye ilk girdiklerinde yumuşak veya sert olma ihtimalleri zaten %50-%50 olduğundan, bu deneyde aynaları görmezden gelebiliriz. Aynaların varlığı, deneyin sonucunu değiştirmiyor.

Şimdi sert elektronlar gönderip bu elektronların renklerine bakalım. Elektronları sertliği belirleyen bir makineden geçirelim; buradan çıkan elektronların tümü sert olacak. Elektronlar aynadan yansıyarak yönlerini değiştirecekler. Aynadan yansıyan elektronların yüzde kaçı siyah, yüzde kaçı beyaz olacak?

Bunun cevabı da %50-%50; bunun nedeni ise, sert elektronların renk makinesinden geçtiği zaman, yarısının siyah yarısının da beyaz olması.

Üçüncü deney biraz daha karmaşık olsun. Diyelim ki beyaz elektronlar, sertliği belirleyen bir makineden geçiyor. Yarısı yumuşak, yarısı sert olan bu elektronlar, yine iki aynadan üçüncü bir aynaya yansıyorlar ve ışınları burada tek bir ışında birleşerek renk makinesinden geçiyor. Bu elektronların yüzde kaçı beyaz, yüzde kaçı siyah olacaktır?

Yanıtın %50-%50 olduğunu düşünebilirsiniz; ama bu sefer değil. Bu sefer sonuç, elektronların %100 beyaz olduğu. Peki ama nasıl olur? Bu deneyin diğer deneylerden farkı ne?

Buna yine döneceğiz, önce başka bir örnek verelim. Aynı deneyi tekrar gözünüzde canlandırmaya çalışın; ama bu sefer yumuşak elektronların yolunu kesecek bir engel olsun, mesela bir duvar. Dilerseniz bu engelin sert elektronların yönünü kestiğini de düşünebilirsiniz, bu önemli değil. Diyelim ki bu elektronların yolunu kesen bir engel var, aynadan yansıyıp makineden geçtikten sonra bu elektronların yüzde kaçı beyaz, yüzde kaçı siyah olacaktır? Bu gibi bir durumda yalnızca sert, beyaz elektronların geçmesini bekleriz, değil mi? Ancak yanıt, elektronların %50’sinin beyaz, %50’sinin siyah olduğu. İşte şimdi önemli kısıma geldik: Neler oluyor?!

Bu elektronların tek bir yön seçip oradan ilerlediğini varsayamayız; çünkü elektronların yollarında engel olduğundan haberleri yok ve her iki durumda da sonuç 50-50. Aynı anda iki yoldan ilerlemiş olabilirler mi peki? Hayır; çünkü elektronların her zaman yalnızca bir yönde ilerlediği incelenmiş durumda – aynı anda iki yoldan geçmeleri mümkün değil. Peki ya hiçbirinden geçmediyseler? Bu da bir ihtimal değil; çünkü yarısının beyaz, yarısının siyah olarak çıktıklarını zaten biliyoruz. O zaman neler oldu?

Bunun üzerinde yapılmış deneyler ve incelemelerin hepsi doğru ise, elektronların yaptığı şey süperpozisyondur. Yani aynı anda, birden fazla durumda bulunmak!

Sizi hayal kırıklığına uğratabilecek bir şey söyleyelim: Şimdiye kadar bahsettiğimiz deneylerde elektronlar aslında ne tam olarak sert, ne yumuşak, ne ikisi, ne de hiçbiriydi; bulundukları durum, sert ve yumuşağın süperpozisyonuydu. Bir özelliğin belirli bir değerini tanımlamak, aslında tam değeri tanımlamak anlamına gelmez; o cismin, diğer özelliklerin değerlerinin süperpozisyon durumunda bulunduğu anlamına gelir. Yaptığımız deneylerdeki her elektron, makineden belirli bir özellik değerine sahip olarak çıkar, ancak elektronlar stabil olarak belirli bir özelliğe sahip değildir. Elektronlarda mevcut olan aslında iki özelliğin süperpozisyonudur, hangisini gözlemlediğimiz ise süperpozisyonun detaylarına bağlıdır.

Bu tip deneyler yalnızca elektronlar değil, protonlar ve nötronlar gibi diğer parçacıklar üzerinde de yapılmıştır, her defasında aynı sonuçlar elde edilmiştir. Bir parçacığın rengini "kesin olarak biliyorsak", sertliğini bilmemiz imkansızdır. Beyaz bir elektron, her zaman sert ve yumuşağın süperpozisyon durumunda bulunacaktır, yani %50 sert ve %50 yumuşak olma ihtimali olacaktır.

Bitkiler Bundan Nasıl Faydalanıyor?

Fotosentez sürecinde enerjinin oluşması için eksitonların reaksiyon merkezine gitmesi gerektiğini söyledik. Asıl mesele, bunun nasıl gerçekleştiğini anlamak. İşte kuantum mekaniği tam da burada devreye giriyor.

Kapalı bir kutunun içinde küçük bir kağıt parçası olduğunu düşünün. Kutu kapalı iken sizin onu görmeniz mümkün değil, yapabileceğiniz tek şey nerede olduğunu tahmin etmek olacaktır. %50 ihtimalle kutunun ortasında, %30 ihtimalle köşesinde, %20 ihtimalle ise bir diğer köşesinde diyerek tahminlerde bulunabilirsiniz; ama kağıt parçası bu üç yerde aynı anda bulunamaz, yalnızca tek bir yerde bulunabilir, siz ise bunun nerede bulunduğunu kutuyu açmadan kesin olarak bilemezsiniz.

Kuantum parçacıkları ise böyle değil – onlar, gerçek anlamıyla farklı olasılıklarla birden fazla yerde aynı anda bulunabilirler. Durum böyle olduğundan, fotosentez süreci sırasında eksiton parçacıklarının molekülden moleküle teker teker hareket ettikleri fikri kulağa daha da mantıksız gelmeye başlıyor. Böyle olsaydı, demin de söylediğimiz gibi, fotosentez süreci –özellikle böyle verimli bir şekilde- gerçekleşemezdi.

Eksitonlar taşınırken enerji kaybederler, yani reaksiyon merkezine olabildiğince kısa bir sürede varmazlarsa, enerji taşımış olamayacaklar. Eksiton, klorofil moleküllerinde hareket ettikçe, enerjisi gittikçe azalır.

Fizikçiler, yıllar önce bununla ilgili bir hipotez ortaya atmışlardı: Eğer eksitonlar, kuantum uyumuna göre hareket ederlerse, enerjilerini kaybetmeden enerji taşımayı başarabilecekler. Bu da, eksitonlar parçacık gibi değil de, dalga gibi hareket ederse, aynı anda reaksiyon merkezine giden tüm yollardan geçebilecekleri ve fotosentez sürecinin tam verimlilikle, "neredeyse hatasız bir şekilde" gerçekleşmesini sağlayacakları anlamına geliyor.

The Scientist

The Scientist

2007 yılında California Üniversitesi (Berkeley) ve Washington Üniversitesi’nden (St. Louis) Graham Fleming ve Robert Blankenship liderliğinde çalışan ekip, klorofil moleküllerinin bileşiklerinde, kuantum tutarlılığı/uyumu gözlemledi. Araştırmacılar, bir madde tarafından çekilen ve yayılan enerjiyi incelediklerinde, 77 Kelvin sıcaklığındaki bileşiklerde "kuantum atışı" (İng: "quantum beating") olarak adlandırdıkları bir sinyal keşfettiler. Bu titreşimler, kuantum uyumunun kanıtı olarak kabul edildi.

Tabii, bu fikre karşı çıkanlar da var. 2017 yılında Almanya’daki araştırmacıların yeşil kükürt bakterileri üzerinde yaptığı gözlemlerde, kuantum uyumun 0.00006 nanosaniyeden daha kısa sürdüğü görülmüştü. Bu ise, enerjinin reaksiyon merkezine ulaşması için yeterli bir zaman değildi.

Ancak bu araştırmanın ardından, klorofil bileşiklerinde birçok tür kuantum uyumunun mevcut olduğunu ve bazılarının fotosentez sürecini gerçekleştirmeye yetecek kadar uzun olduğunu savunan bir araştırma ekibi de vardı.

Bu tip bulgular ve gözlemler bize fotosentetik mekanizmaların da, tıpkı enzimler gibi, kuantum olaylarından yararlanarak evrimleşmiş olabileceğini gösteriyor. Bize düşen ise, sadece biyoloji veya sadece fizik ile ufkumuzu sınırlandırmadan, bütün bilim dallarından güç alarak, Evren'in sırlarını aydınlatmayı sürdürmek!