Przeciw ciemności

Najkrótsze dni, długie noce, chłód. Przechodzimy przez zimowe przesilenie, najniższy punkt roku. Odtąd światło zacznie wygrywać z ciemnością. Ludzie od niepamiętnych czasów czuli, jak ważny to moment, starali się za pomocą różnych obrzędów zapewnić dalszy prawidłowy bieg cyklu przyrody. Bez światła słonecznego niemożliwe jest życie.

Rozumiano to już w XIX wieku, wiktoriański pisarz Winwood Reade, korespondent Darwina, pisał w jednej ze swych książek: „Rola świata roślinnego na Ziemi jest natury kulinarnej, a roślina, kiedy zostanie zjedzona, dostarcza zwierzęciu owego ciepła, które stanowi jego życie, tak samo jak węgiel (bryłka zwęglonych roślin) daje ciepło mieszkaniu, w którym zostaje spalony. Lecz to ciepło, bez względu na to, czy spoczywa ukryte w zielonej i rosnącej roślinie, czy w jej czarnych i skamieniałych szczątkach, zostało kiedyś otrzymane od Słońca. Promienny Apollo jest ojcem nas wszystkich. Ciepło zwierzęce jest ciepłem Słońca, rumieniec na policzku jest zbłąkanym promieniem słonecznym. Życie jest światłem słonecznym zamkniętym w butelce, a Śmierć to cicho stąpający kamerdyner wyciągający korek”.

Życie jest światłem słonecznym zamkniętym w butelce – formuła ta wydaje nam się dziś jeszcze bliższa prawdy, niż sądził Reade. Słońce bowiem nie tylko dostarcza nam energii, ale jest również źródłem niskiej entropii.

Życie jest zjawiskiem szczególnym: na pewien czas i w pewnym obszarze wytwarza się wysoce zorganizowana struktura, zdolna do rozwoju i do powielania się. Inne procesy wokół nas tak przebiegają, że w widoczny sposób powiększa się nieuporządkowanie, tymczasem w procesach biologicznych tworzy się porządek z chaosu. Wydaje się to sprzeczne z II zasadą termodynamiki, która mówi, że w przyrodzie nieuporządkowanie musi stale rosnąć, a procesy są nieodwracalne, jak rozbicie jajka na jajecznicę. Wiemy jednak, że jeśli umieścić zapłodnione jajko w odpowiedniej temperaturze, to za jakiś czas wykluje się z niego kurczak. Jak to możliwe? Zarodek kurczaka zawiera oprogramowanie pozwalające na kolejne procesy chemiczne, do których potrzebne składniki i energię pobiera z reszty jajka. Jest to swego rodzaju samotworzące się origami cząsteczkowe prowadzące aż do powstania kurczaka. Nieuporządkowanie całego świata rośnie, jednak kurczak jest wysoce zorganizowaną strukturą zdolną przez jakiś czas opierać się prawu dążenia do chaosu. Miarą nieuporządkowania jest entropia. Entropia całego świata rośnie, ale entropia jego drobnego fragmentu zwanego kurczakiem wcale nie musi.

Podstawą życia są rośliny i przebiegająca w nich fotosynteza. Dzięki niej, zarówno my, jak i wszystkie inne zwierzęta, mamy tlen do oddychania oraz cukier, który możemy spalić na potrzeby swego organizmu. Cykl procesów prowadzący do wytworzenia prostego cukru, glukozy, podsumować można jednym równaniem:

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2

Z pozoru jest to zwykłe przegrupowanie atomów. W istocie jednak jest to skomplikowany cykl procesów wymagający dostarczenia energii oraz zmniejszający entropię – z wielu cząsteczek tworzy się jedna większa: glukoza. Spontanicznie reakcja ta powinna zachodzić w przeciwnym kierunku: z glukozy i tlenu otrzymuje się wówczas wodę i dwutlenek węgla oraz energię. I rzeczywiście tak się dzieje, do tego właśnie sprowadza się oddychanie zwierząt.

Najciekawsza jest jednak fotosynteza, odbywająca się „pod prąd” zwykłemu biegowi świata.

Dzięki fotonom ze Słońca odbywa się rozkład wody na tlen i wodór. Jest tu do pokonania bariera energetyczna: trzeba sporo energii, aby rozłożyć tak silnie związaną cząsteczkę jak woda; trzeba też fotonów o niskiej entropii, aby po lewej stronie reakcji entropia mogła być mniejsza niż po prawej (po prawej stronie reakcji pojawiają się dodatkowe liczne fotony o niskiej energii i dużej entropii; czasem procesowi fotosyntezy towarzyszy też zamiana wody w parę wodną, co także powiększa entropię prawej strony równania).

Reade rozumiał, że Słońcu zawdzięczamy energię, ale w gruncie rzeczy zawdzięczamy mu światło o niskiej entropii – to jest prawdziwe źródło uporządkowania w świecie ożywionym. Dzięki niskiej entropii światła słonecznego możliwa jest reakcja fotosyntezy, a więc istnienie roślin oraz odżywiających się nimi zwierząt. Cały porządek obserwowany w przyrodzie ożywionej jest więc możliwy dzięki niskiej entropii promieniowania słonecznego. W tym sensie życie jest światłem słonecznym zamkniętym w butelce.

Procesy odbywające się podczas fotosyntezy są skomplikowane i ich poznawaniem zajmują się uczeni od stu lat. Dla fizyka jednym z najciekawszych etapów tego procesu jest jego początek. Światło słoneczne pochłaniane jest przez cząsteczki chlorofilu, tworzące coś w rodzaju anteny, zwanej kompleksem zbierającym światło (light-harvesting complex – w skrócie LHC, tak jak Large Hadron Collider). Energia fotonu przekazywana jest pomiędzy sąsiadującymi cząsteczkami chlorofilu do centrum reakcji. Uwolnienie jednej cząsteczki tlenu wymaga energii czterech fotonów docierającej do centrum reakcji. Układy LHC wyglądają na dość przypadkowe ułożenie cząsteczek chlorofilu podtrzymywanych przez białka.

zpq999099635001

Na rysunku szczególnie prosty układ tego typu, badany jako model pozwalający zrozumieć przebieg zjawisk. Energia światła z chlorofilu nr 1 i 6 przekazywana jest do cząsteczek nr 3 i 4, znajdujących się obok centrum reakcji. Droga wzbudzenia od 1 do 3 prowadzi przez 2, którego energia jest wyższa niż 1. Kwantowe oscylacje między 1 i 2 pozwalają wzbudzeniu dotrzeć do 3 (por. np. Graham R. Fleming, Gabriela S. Schlau-Cohen, Kapil Amarnath and Julia Zaks, Design principles of photosynthetic light-harvesting, „Faraday Discussions”, 155 (2012), s. 27-41).

Okazuje się, że LHC są niezwykle efektywne: przekazują energię do centrum reakcji ze sprawnością niemal 100%. W ostatnich latach żywo dyskutowana jest rola efektów kwantowych w tym procesie. Byłby to pierwszy przykład takiego zjawiska kwantowego zachodzącego w biologii: na poziomie bardzo złożonych układów i w stosunkowo wysokiej temperaturze, co na pierwszy rzut oka wydaje się nieprawdopodobne. I rzeczywiście kwantowe modele, budowane dla prostego LHC przedstawionego na rysunku, są chyba potwierdzane przez doświadczenia. Wbrew intuicji wysoka (jak dla fizyka kwantowego) temperatura sprzyja sprawności tego układu.

Mamy tu przykład działania ewolucji, o którym Darwinowi się nie śniło: skomplikowane układy cząsteczek chemicznych zachowują się jak zaprojektowane przez inżyniera ze znajomością mechaniki kwantowej i stanowią jeszcze jedno z niezliczonych potwierdzeń idei ewolucji.

Wykład Massouda Mohseniego o efektywności LHC

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s