A “biologia quântica” está desvendando os mistérios do mais importante processo bioquímico do planeta?
Através da fotossíntese, plantas e algumas bactérias transformam luz solar, água e dióxido de carbono em alimento para si e oxigênio para os animais respirarem.
Esse é, talvez, o processo bioquímico mais importante na Terra. Ainda assim, os cientistas não entendem completamente como ele funciona.
Novas descobertas da chamada biologia quântica podem ajudar os cientistas a criar células solares e sistemas de armazenamento de energia mais competentes, mas para isso precisamos compreender exatamente como a fotossíntese consegue ser tão eficiente.
E foi o que pesquisadores fizeram recentemente: eles estudaram a mecânica da fotossíntese para tentar determinar o papel das vibrações de moléculas no processo de conversão de energia, que alimenta a vida na Terra.
Os resultados identificam vibrações específicas que auxiliam a separação de carga – o processo que liberta elétrons dos átomos nas etapas iniciais da fotossíntese, que mais tarde convertem a energia solar em energia química para as plantas crescerem e prosperarem.
“Os sistemas fotossintéticos biológicos e artificiais absorvem luz e a convertem para fazer essa separação. No caso da fotossíntese natural, a separação de cargas leva a energia bioquímica. Nos sistemas artificiais, essa separação de carga pode ser usada para gerar eletricidade ou alguma outra fonte de energia utilizável, como os biocombustíveis”, disse Jennifer Ogilvie, da Universidade de Michigan (EUA), principal autora do estudo.
O estudo
Piscar um olho demora cerca de um terço de segundo. A separação de carga acontece em cerca de um centésimo de bilionésimo dessa quantidade de tempo. Os pesquisadores desenvolveram um pulso ultrarrápido a laser para acompanhar a velocidade dessa reação.
Usando sequências cuidadosamente cronometradas de pulsos de laser ultracurtos, Ogilvie e seus colegas foram capazes de iniciar a fotossíntese e, em seguida, tirar fotos do processo em tempo real.
Os pesquisadores analisaram o fotossistema II das folhas. Localizado nos cloroplastos das células vegetais, fotossistema II é um complexo de proteínas e pigmentos que faz o trabalho fotossintético mais “pesado”.
Os cientistas compraram um saco de folhas de espinafre, removeram os caules e as veias, colocaram o resto no liquidificador e realizaram várias etapas de extração para retirar suavemente os complexos de proteínas da membrana, mantendo-os intactos.
Nestes complexos, o processo de separação de cargas acontece de forma extremamente eficiente. Em materiais artificiais, existem grandes absorvedores de luz e sistemas que podem criar a separação de carga, mas é difícil manter essa separação por tempo suficiente para extraí-la e torná-la útil. No centro de reação do fotossistema II, esse problema é muito bem resolvido.
Ao examinar os sinais de que foram produzidos no fotossistema II, os pesquisadores entenderam melhor os caminhos que a energia e a carga fazem nas folhas. “Pudemos acompanhar com cuidado o que estava acontecendo”, disse Ogilvie. “Pudemos olhar para onde a energia era transferida e quando a separação de carga ocorria”.
Os sinais vistos continham “ecos” de longa duração que revelaram movimentos vibracionais específicos que ocorreram durante a separação de cargas.
“O que descobrimos é que, quando as lacunas no nível de energia estão perto de frequências vibratórias, você pode reforçar a separação de cargas”, explica Ogilvie. “É um pouco como um sistema de brigada de baldes: quanta água você consegue transportar na linha de pessoas depende de cada pessoa recebendo o balde na hora certa e fazendo o movimento certo para maximizar o rendimento”.
A pesquisadora quer utilizar estas informações para fazer a engenharia reversa do processo, a fim de projetar materiais com uma estrutura vibracional e eletrônica apropriada para imitar esse procedimento de separação de carga altamente eficiente. [Science20]
