【光合成は量子コンピューティング】科学を身近に☆NewStream
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今週の科学ニュースを紹介します。
光合成が非常に効率が優れているのは、エネルギーが同時に複数の場所に存在し、常に最短のルートを見つけ出しているという「量子効果」が作用しているからだということを示す研究が発表されたそうです。
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以下「WIRED.JP」より引用
光合成は、植物や細菌が用いる光エネルギーの捕捉プロセスだが、その効率の良さは人間の技術では追いつかないほど優れている。このほど、個々の分子に1000兆分の1秒のレーザーパルスを当てる手法によって、光合成に量子物理学が作用している証拠が確認された。
量子の「魔法」が起きているとみられるのは、1つの光合成細胞に何百万と存在する集光タンパク質の中だ。集光タンパク質は、[集めた光]エネルギーを、光子に感受性のある分子内で回転している電子から、近くの反応中心タンパク質へと輸送し、そこで光エネルギーは細胞を動かすエネルギーへと変換される。
この輸送の過程で、エネルギーはほとんど失われない。それは、エネルギーが同時に複数の場所に存在し、常に最短のルートを見つけ出しているからだ、というのが今回の研究の結論だ。
トロント大学の生物物理学者Greg Scholes氏らが、『Nature』誌2月4日号に発表した今回の研究成果は、光合成における量子コヒーレンス[量子重ね合わせ状態]を裏付ける、現時点で最も有力な証拠だ。量子コヒーレントとは、同時に複数の状態で存在することを科学的に表現する用語だ。[量子重ね合わせ状態とは、量子力学において、確率的に得られる二つの状態がいまだに決定されていない状態。単に何が起こるか確率的にしか判らないということではなく、重ね合わせという独特の状態]
Scholes氏は量子コヒーレンスについてこう説明する。「私が好むアナロジーは、ラッシュアワーに家へ自動車で帰るにあたって3つのルートがあるというものだ。どのルートが速いか遅いかはわからない。しかし量子的なメカニズムでは、これらの3つのルートを同時に取ることができる。到着するまで、自分がどこにいるかを特定しないので、常に最も速いルートを選ぶことになる」
集光タンパク質：赤色の部分が、光を集める分子
今から2年前、当時カリフォルニア大学バークレー校に在籍していた化学者のGreg Engel氏(現在はシカゴ大学在籍)率いる研究チームが、緑色硫黄細菌の集光タンパク質において量子コヒーレンスを確認した。ただし、この観測は摂氏約マイナス180度以下という低温下で行なわれたものだ。低温にすることで超高速の量子活動を遅くすることができたが、その代わり、量子コヒーレンスが常温でも発生しているのかどうかという疑問が残った。
今回のNatureに発表された研究は、一般的な海生藻類を用いて常温で行なわれたため、常温での量子コヒーレンスを証明している。さらには、先の研究を行なったEngel氏のチームも、別のより単純な集光複合体を用いた実験で同様の結果が得られたと、1月28日(米国時間)付けでプレプリント・サーバー[学術雑誌に掲載される前の論文の公開に使用されるサーバー]の『arXiv』に発表した研究論文で報告しており、このことは、光合成において量子コヒーレンスが常に発生していることを示唆している。
これらの研究成果は、太陽電池や量子コンピューターの設計など、常温状態での量子物理学から恩恵を得られる分野にとっても、重要な意義を持つものだ。「光合成は、非ユニタリな量子コンピューティングの一種として考えることができる」とEngel氏は言う。
今回の研究で、Scholes氏のチームはPC645と呼ばれる集光タンパク質を用いて実験した。このタンパク質は先行研究において、すでに原子レベルで画像化されていたものだ。タンパク質の特性が詳細に明らかにされていたため、実験では1000兆分の1秒のレーザーパルスを分子に当てることができた。1000兆分の1秒のレーザー[フェムト秒レーザー]は、電子1つ1つの回転を変えることが可能だ。
集光タンパク質を通って出てきたレーザー光の変化をその直後に分析することで、タンパク質内部で何が起こっているのかを推測することができる。「スクリーンに影を映す手法」の超ハイテクバージョンといったところだ。
分析の結果、離れたところにある分子どうしが互いに「接続」されていることを示すようなエネルギーパターンの変動を確認した。これは、量子コヒーレンスの作用なくしてはあり得ないことだ。
「ちょうど、2つの音叉を同時に鳴らすと、背景音として低音の振動が聞こえるのと同じだ。音叉から生じる音波が干渉しあっているわけだ」とScholes氏は述べる。
集光タンパク質内のエネルギー波の干渉を示すグラフ
量子物理学的なプロセスは、生物界の他の分野でも観察されている。最もよく知られた例は、鳥が地球磁場を頼りに飛ぶことを可能にしている「コンパス」細胞(日本語版記事)だ。研究者たちはそのほか、動物の嗅覚や脳の働きにも、量子物理学的プロセスが何らかの役割を果たしているのではないかと考えている。Engel氏は今後、量子生物学や量子神経学という学問分野が重要性を増すと予想している。
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