تهیه کننده : سید محمود اشرفی

بینشی جدید از پدیده فتوسنتز با استفاده از تکنیک تجسم کوانتومی

در دنیای کوانتومی، تجسم سیستم‌هایی که از مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند، بسیار دشوار است. با این حال، محققان دانشگاه ایلینوی ( به انگلیسی: UNIVERSITY OF ILLINOIS ) یک تکنیک تصویرسازی یکتا ایجاد کرده‌اند که ویژگی‌های کوانتومی را در یک نمودار خوانا به نام “نقشه همدوسی” ( به انگلیسی:  coherence map ) نشان می‌دهد. این تکنیک نقشه‌سازی، به محققان این امکان را می‌دهد تا مکانیسم‌های کوانتومی زیربنای فرایند فتوسنتز را با استفاده از این نقشه‌ها بررسی کنند. فتوسنتز، فرایندی است که گیاهان و برخی باکتری‌ها به منظور تبدیل دی‌اکسید کربن و آب به غذای خود از نور خورشید استفاده می‌کنند.  با استفاده از این تکنیک نوین، محققان می‌توانند بهتر و دقیق‌تر از مکانیسم‌های فتوسنتز و عملکرد فوتوسیستم‌ها در جذب نور و تبدیل آن به انرژی شیمیایی در گیاهان و باکتری‌ها بفهمند.نانسی مکری (به انگلیسی:  Nancy Makri)، استاد شیمی در دانشگاه و سرپرست پروژه، می گوید:”باورش سخت بود که نقشه‌های همدوسی اینقدر ساده هستند. وقتی شما با پدیده‌های کوانتومی غیر شهودی به‌عنوان بخشی از فرآیندهای پیچیده (مانند پدیده فتوسنتز) سروکار دارید، تفسیر محاسبات نظری می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. اما نقشه‌های همدوسی هر آنچه را که باید بدانید به شما می‌گویند”. در مطالعه‌ای که به تازگی منتشر شده است، گروه تحقیقاتی نانسی مکری با استفاده از یک روش جدید توانسته اند از نقشه‌های همدوسی برای تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی‌های کامپیوتری باکتری‌های فتوسنتزکننده استفاده کنند. این محققان ساختار های پیچیده مولکولی را مورد مطالعه قرار دادند که نور خورشید را دریافت می کند، یعنی آن را جذب کرده و انرژی آن را به محل واکنش شیمیایی که در آن دی اکسید کربن و آب پردازش می‌شوند، منتقل می‌کند. در این مطالعه نقشه‌های انسجام نه تنها نحوه انتقال انرژی به محل واکنش را به وضوح نشان می‌دهند بلکه توضیح کوانتومی واضحی برای این انتقال نیز ارائه می‌دهند. به این ترتیب، این تکنیک تصویرسازی برای محققان، امکان مطالعه بهتر و دقیق‌تر از مکانیسم‌های فتوسنتز در جذب نور و تبدیل آن به انرژی شیمیایی را فراهم می‌کند. نانسی مکری  می گوید: “در واقع، نقشه های همدوسی تصاویری از ماتریس چگالی کاهش یافته هستند، ماتریس چگالی کاهش‌یافته یک شی ریاضی است که نشان دهنده تمام اطلاعات مربوط به رفتار کوانتومی یک سیستم است. این شی برای سیستم‌هایی با اندازه متوسط بسیار بزرگ می‌شود و تجزیه و تحلیل آن زمان‌بر و چالش‌برانگیز است. اما، نقشه‌های همدوسی به سادگی اطلاعات زیادی درباره رفتار کوانتومی یک سیستم را در اختیار محققان قرار می‌دهد و با یک نگاه، می‌توان اطلاعات مهمی را از تصاویر آن خواند.با استفاده از نقشه‌های همدوسی، محققان می‌توانند مسیرهای انتقال انرژی در مجتمع جمع آوری نور باکتری‌ها را به صورت شفاف شناسایی کنند. مجتمع شامل یک لایه بیرونی و یک لایه داخلی از مولکول هاست.  به طوری که ، حلقه بیرونی نور خورشید را جذب می‌کند و حلقه داخلی حاوی محل واکنش شیمیایی است. با استفاده از نقشه‌های همدوسی، محققان نشان دادند که این دو حلقه توسط حرکت اتم‌ها در مولکول‌ها به هم مرتبط هستند و انرژی به صورت متمرکزی از حلقه بیرونی به حلقه داخلی منتقل می‌شود. این اطلاعات می‌تواند به محققان کمک کند تا عملکرد فتوسنتز را بهتر فهمیده و بهبود بخشید.این پژوهش در واقع به این نکته اشاره کرده است که نقشه‌های همدوسی به عنوان ابزاری برای تحلیل‌های نظری مبتنی بر مکانیک کوانتومی قابل استفاده هستند. این ابزار می‌تواند به محققان کمک کند تا بهترین روش‌های انتقال انرژی در سیستم‌های کوانتومی را شناسایی کنند و عملکرد بهتری در این سیستم‌ها را تضمین کنند.