Éreznek a növények? A levelek féltve őrzött titkai

Bár azt mindannyian tudjuk, hogy a növények nélkülözhetetlenek a földi ökoszisztémában - nélkülük nem lenne oxigén a légkörben, nem létezne a tápláléklánc, és persze mi sem - mégis, jelenlétük olyannyira közönséges és megszokott, hogy hajlamosak vagyunk megfeledkezni erről mindennapjainkban. Pedig még a legutolsó, árva kis fűszál is megannyi csodálatos és lélegzetelállító titkot őriz évmilliárdok óta, amelyek közül néhányat csak most kezdünk egyáltalán felfogni.

2010-ben legalább két független kutatócsoport is arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézis során a fény felhasználásának kvantum-hatékonysága egyszerűen lehetetlenül magas - túl kicsi a hő, ill. kisugárzott fluoreszencia energia-veszteség a folyamatban.

Valami más, rejtélyes jelenség kell, hogy megalapozza a 95-98 %-os kvantum-hatékonyságot (szemben a napelemeink 10-15 %-os csúcsteljesítményével) - de mi lehet az? A tudósok elképesztő felfedezést tettek, amely egyben lértehozta a kvantum-biológia tudományágát.

De miről is van szó pontosan? A jelenség megértéséhez egy cseppnyi (klasszikus) biológiát kell némi fotokémiával kevernünk, merész ízlésvilágot tükröző kvantumfizikával fűszerezve. Ez elég egzotikusan hagzik, de ne ijedjünk meg tőle! 

A fotoszintézis fény-szakasza

A fotoszintézis legelső, ún. "fény-szakaszában" a növények és a klorofillt tartalmazó baktériumok zöld pigmentjei elnyelik a vörös és a kék fény kvantumait (a fotonokat), és az általuk hordozott energiát továbbítják azokat az ún. "reakció-centrumokba", ahol az élettani folyamatok kémiája megkezdődik.

A fény elnyelése a levél felszínén az ún. "antenna-komplexumkoban" történik, amelyek végső soron maguk is a klorofill-molekulák csoportjai, de fehérjeláncaik kapcsolódásai nem teszik lehetővé, hogy egymagukban  értékesítsék (közvetlenül felhasználják) a beérkező foton energiáját. Ehelyett a fényt befogó molekula elektronjai a gerjesztés hatására a környezetükénél magasabb energiaállpotba kerülnek, amelyből alapvetően háromféleképpen tudnak visszaállni eredeti állapotukba -

A) Maguk is (fluoreszcens) fényt bocsájtanak ki, és a foton kibocsájtása során az elektronjuk "visszaesik" az alacsonyabb energiaállapotú héjra,

B) Az energia-többlet hővé alakul (a növény vagy fotoszintetizáló baktérium felmelegszik),

C) A többlet-energiát átadják a szomszédos klorofill-molekuláknak, amíg az el nem jut az ún. "reakció centrumokba", ahol két speciális klorofill-molekula "csapdába ejti", kivonja a magasabb energiaállpotú elektront a folyamatból, elkülöníti azt a felszíni "antenna-komplexumoktól", így véget vet a láncreakciónak és innentől megkezdődhet a szintézis kémiai része.

Természetesen a fotoszintézis szempontjából csak a legutolsó lehetőség "hasznos", mivel életttanilag csak ebből nyerhet kémiai energiát biológiai folymatainak fenntartásához. Éppen ezért a fotoszintézis fény-szakaszának egyik legfontosabb minőségi jellemzője, ún. "kvantum-hatékonysági mutató" - amely végső soron azt adja meg, hogy a beérkező fotonok hány %-a vált ki fotokémiai reakciót (vagyis jut el felhasználható módon az antenna-klorofillokból a reakcióközpontokba.)

A tudósokat már korábban is ámulatba ejtette, hogy milyen döbbenetesen magas a növények, ill. zöld algák, baktériumok ilyen értelemben vett "kvantum-hatékonysági mutatója" - kiderült ugyanis, hogy a beérkező (elnyelt) fotonok energiájának legalább 95-98 %-a jut el a befogástól a felhasználás első fázisáig.

Figyelmbe véve, hogy milyen távol vannak a reakció-centrumok a pigmentektől (antenna-komplexumoktól), és hogy milyen kevés van belőlük a fényt elnyelő klorofill-molekulákhoz képest, szinte érthetetlennek tűnt hogy miért nem "veszik el" a fotonok energiájának döntő hányada hőként és/vagy fluoreszcens, kisugárzott fényként a továbbítás során - eddig.

Kísérleti vizsgálatok és bizonyítás

A kutatók a jelenséget az egyik legegyszerűbb és legjobban ismert kémiai felépítésű, fotoszintézist végző, zöld kénbaktériumok családjába tartozó élőlényen vizsgálták úgy, hogy az annak felszínén lévő klorofill antenna-komplexum egy-egy kiválaszott molekuláját precíziós, hihetetlenül rövid ideig tartó (femtoszekundumos) lézer-impulzussal besugározták (szimulálva a napfény hatását), és utána egy ultragyors érzékelési eljárással, az ún. kétdimenziós elektronikus spektroszkópiával vizsgálták az energiaszintek "szétterjedését", illetve átadódását a szomszédos klorofill-molekulák között.

Nem kis meglepetésükre azt tapasztalták, hogy az elnyelt foton energiája gyakorlatilag "azonnal", vagyis mérhető időkülönbség nélkül jelent meg a messzebb lévő klorofill-molekulákban is, a fénysebességet, illetve a pigmentek térbeli távolságát láthatóan figyelmbe sem véve. A kutatók úgy fogalmaztak - "olyan, mintha az elnyelt foton energiája egyszerre jelent volna meg mindenhol, késleltetés nélkül" (vagyis minden környező antenna-komplexumban), noha csak az egyiküket érte a lézer-impulzus.

Mai, éppen hogy csak felismert (józan ésszel alig felfogható) fizikai ismereteink alapján mindez csak egyféleképpen lehetséges - a térben jól elkülönülő klorofill-molekulák kvantumfizikai szinten összefonódott részecskepárokból állnak, illetve ilyeneket tartalmaznak. Másképp megfogalmazva - ugyanazon részecskék manifesztációi egyszerre vannak jelen több térbeli helyen a növény vagy zöld alga (fotoszintetizáló élőlény) levelének (testének) felszínén, a fény-szakasz vizsgált biológiai felépítésében egyránt.

A fenti ábra a zöld kénbaktérium FMO stuktúrájának antenna-komplexumai közötti, fentoszekundumos felbontású (a másdperc milliárdod részének milliomod részéig terjedő időskáláján történő) kvantum-korrelációját mutatja a lézerimpulzus kibocsájtásának, ill. elnyelődésének függvényében.

Forrás és az eredeti mérés jegyzőkönyvek - "Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes", Nature Physics, 2010; DOI: 10.1038/nphys1652.

A felfedezés jelentősége

Az hogy egy részecske (fény-foton, elektron, stb.) egyszerre több, független helyen lehet jelen a térben, önmagában is nehezen felfogható, és kísérleti bizonyítása is csak a legutóbbi években sikerült. Még megdöbbentőbb - ahogy erről már korábbi cikkünkben is írtunk -  a részecskepárok bármelyikének állapotának megváltozása (pl. mérés által) azonnal annak ikertestvér-párjának megváltozásához vezet, időbeli késleltetéstől és fénysebességtől, térbeli távolságtól függetlenül.

A kísérleti bizonyítások hihehetlenül precízen és szigorúan kontrollált, labortóriumi körümények között sikerültek, szinte tökéletesen zaj- és hőmérsékleti behatásoktól mentes (ideális) kvantum-optikai közegekben, ezért nagyon sok kutató úgy vélte - a kvantum-összefonódás és annak bizarr, józan észnek ellentmondó tulajdonságai a természetben ritkán vagy szinte soha nem fordulhatnak elő, így vizsgálatuk ugyan érdekes, ám mindez nem sok hatással lehet mindennapi életünkre.

Ennél nagyobbat láthatóan nem is tévedhettünk volna! A 2010-ben zajló kutatások vezető tudósai éppen ezt emelték ki kommentárjaikban.

"A kvantum-összefonódás ill. korreláció ilyen kimagasló aránya eddig szinte elképzelhetetlennek tűnt szobahőmérsékleten, élő biológiai közegekben, ahol a folytonosan lezajló kémiai és biológiai reakciók milliárdjai, illetve a hőmérsékleti entrópia zavaró hatásai miatt senki nem számított ilyesmire" - nyilatkozták.

Mítoszok, tények és lehetőségek

A Kaliforniában élő tudós, Clive Bakster a CIA kötelékében kezdte meg még 1966-ban poligráffal (hazugságvizsgálóval) kapcsolatos kutatásait, amelyet később, pusztán kíváncsiságból kiterjesztett a növényekre is. Elméletileg ez lehetséges, hiszen a poligráf olyan hiperfinom elektromos, ill. elektrokémiai váltzásokat is képes érzékelni, amelyek szinte azonosan zajlanak az emberi bőrön, ill. egy levél felszínén.

Ugyanakkor a tudomány jelenlegi állása (vagyis a legtöbb tudós által elfogadott nézet szerint) a növényeknek nincsen a miénkhez hasonló idegrendszere, így nem lehetnek gondolataik, érzelmeik, és nem érezhetnek fájdalmat sem.

Clive Bakster ettől függetlenül rákapcsolta a hazugságvizsgáló egyik érzékelőjét egy kiválasztott levélre, azzal az elhatározással, hogy a növény egy másik (távolabbi) levelét öngyújtóval felperzseli.

Állítása alapján - nem kis megdöbbenésére - a poligráf hatalmas kilengést mutatott, de nem akkor, amikor meggyújtotta a lángot, hanem jóval korábban - méghozzá már akkor, amikor eldöntötte, hogy mit fog tenni néhány másodperc múlva, és melyik levéllel.

Clive Bakster ennek alapján meg van róla győződve a mai napig, hogy a növények képesek telepatikus kapcsolatba kerülni más élőlényekkel - így akár emberekkel is. Az egyik népszerű ismeretterjesztő csatornán vetített "Mythbusters" (Mítoszrombolók) c. sorozatban félig komolyan, félig mókásan megpróbálták lemásolni a kérdéses kísérleteket, amelyek először mutattak is értékelhető eredményeket, de miután a kivizsgálók eltávolodtak a növényektől és szeparált konténerbe zárták őket, a jelenség nem volt többé kimutatható.

Ahogy az várható volt, nem kevésbé "őrült" szovjet tudósok is vizsgálták a jelenséget, két egymástól elkülönített növény viszonylatában (természetesen az alábbi, igen rossz minőségű felvétel hitelességét nincs módunkban sem megerősíteni, se cáfolni)-

Egy igen látványos, "Floranium" nevű kísérleti eszköz (amelynek működési elve nem teljesen ismert), állítólag képes színes fényekkel vizualizálni a növények hangulatát -

A sci-fi, a tudomány és a fantázia határai

A gondolkodni képes, öntudattal rendelkező növények számtalan tudományos-fantasztikus filmben és egyéb képzőművészeti alkotásban megjelentek már, de ennek a felvetésnek (eddig) nem volt szinte semmiféle tudományos alapja. A kritikusok leginkább azt emelték ki, hogy a növényeknek nincsen a fejletteb élőlényekéhez hasonlítható idegrendszere (szinoptikus összeköttetések hálózata), amely lehetővé tenné ilyen, magasabb rendűnek tekintett funkciók kialakulását.

Most viszont, hogy bizonyítékunk van arra, hogy növnyek egyes sejtjei - térbeli és talán időbeli távolságtól függeltenül - kvantumfizikai kapcsolatban állnak egymással, már nem lehet teljes képtelenségnek tekinteni az ehhez hasonló felvetéseket.

Miért ne létezhetne összefonódás (vagy összefonódások egész hálózata) a növény egészen távoli részei között? Miért kellene lehetetlennek tekintenünk, hogy az összefonódások egy ilyen, feltételezett hálózata akár még egy magasabb rendű élőlény idegrendszerhez is hasolíthat? Vagy, ha önmagában egy példány nem is képes erre, akkor miért ne lehetne mindezt kiterjeszteni a növények egy kolóniájára?

Hangsúlyozzuk, hogy mindez nem következik a mostani (2010-es) felfedezésekből, csupán a lehetőségük nyílik meg ezáltal. Tehát, az ehhez hasonló felvetések továbbra is a sci-fi, de azon belül immár a tudományosan megalapozottnak tekinthető, fantasztikus teóriák közé tartoznak.

Zárszó

Természetesen egyelőre nem kell attól tartanunk, hogy a skizofrén szobanövényünk a tévé mögötti sarokban sokkot kap az általunk nézett műsoroktól és zárt osztályra kerül; sőt, az is valószínűtlen, hogy a napraforgók ránk mosolyognának a mezőn aheyett, hogy az életet adó, kékesen ragyogó égboltot betöltő fény felé fordulnának.

Mégis, a felfedezés jelentősége messze túlmutat a fotoszintézis folyamatának megértésén. Rávilágít arra, hogy nem csak a fizikában, de az élő szervezetek biológiájában is megjelenik, méghozzá természetes (sőt, nélkülözhetetlen) módon a józan észnek fricskát mutató egzotikus állapot, a tértől és időtől független kvantum-öszefonódottság jelensége.

Sorozatunkat hamarosan a viharok kvantumfizikájának incselkedően izgalmas kérdéskörének folytatjuk - addig is nagyon várjuk érdeklődő nézőink, olvasónk véleményét a növények élettanával kapcsolatos, szenzációs felfedezéssel kapcsolatban.

Források - ScienceDaily, Nature, Lawrence Berkeley National Laboratory,The Journal of Chemical Physics, University of Toronto

Köszönjük!

2011. február 17.
Nagy Gergely
Időkép.hu