Cây xanh quang hợp: Chúng ta tưởng đã hiểu, nhưng bí mật vẫn còn rất lớn

Chúng ta thường học rằng quang hợp là quá trình thực vật sử dụng ánh sáng để biến carbon dioxide và nước thành các hợp chất hữu cơ, đồng thời giải phóng oxygen. Phương trình tổng quát tưởng như rất đơn giản, nhưng phía sau nó là một hệ thống phân tử cực kỳ phức tạp.

Khi một photon ánh sáng chạm vào phân tử sắc tố như chlorophyll, năng lượng của nó được hấp thụ và truyền qua mạng lưới các phân tử sắc tố nằm trong những phức hợp protein. Cuối cùng, năng lượng đến trung tâm phản ứng, nơi một quá trình chuyển electron cực nhanh bắt đầu biến năng lượng ánh sáng thành dạng năng lượng hóa học có thể sử dụng cho tế bào. Một số bước quan trọng diễn ra chỉ trong khoảng thời gian cực ngắn, từ femtosecond đến picosecond.

Ảnh: kids.frontiersin

Điều đáng kinh ngạc là hiệu quả của hệ thống này cao đến mức các nhà khoa học từng đặt câu hỏi liệu cơ học lượng tử có đóng vai trò trực tiếp trong quá trình thu nhận và truyền năng lượng ánh sáng hay không.

Các thí nghiệm quang phổ siêu nhanh đã phát hiện những hiện tượng được gọi là quantum coherence – trạng thái trong đó các trạng thái lượng tử có thể duy trì mối quan hệ pha trong một khoảng thời gian cực ngắn. Năm 2007, một nghiên cứu trên Nature cho thấy bằng chứng về sự truyền năng lượng mang tính “dạng sóng” trong một phức hợp quang hợp của vi khuẩn.

Ảnh: bio.libretexts

Nhưng câu chuyện vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.

Các nhà nghiên cứu vẫn tranh luận về việc những hiện tượng lượng tử quan sát được có thực sự là cơ chế mà sinh vật sử dụng để tăng hiệu quả quang hợp, hay một phần chỉ là hiệu ứng xuất hiện trong các phép đo quang phổ đặc biệt. Nguồn gốc chính xác của những dao động lượng tử và vai trò của chúng trong điều kiện sinh lý bình thường vẫn là vấn đề được nghiên cứu.

Ảnh: die-loburg

Một bí ẩn khác nằm ở cách protein điều khiển năng lượng. Các sắc tố không hoạt động riêng lẻ mà được sắp xếp với khoảng cách và hướng cực kỳ tinh vi. Rung động của chính các phân tử protein và sắc tố có thể tương tác với trạng thái điện tử, ảnh hưởng đến đường đi của năng lượng. Một số nghiên cứu cho rằng sự kết hợp giữa chuyển động phân tử, dao động và tương tác điện tử có thể giúp hệ thống vượt qua những “nút thắt” năng lượng.

Điều thú vị là tự nhiên đã giải quyết bài toán này từ hàng tỷ năm trước, trong khi con người vẫn đang cố tìm hiểu nguyên lý của nó để chế tạo pin mặt trời và hệ thống quang hợp nhân tạo hiệu quả hơn.

Vì thế, quang hợp không đơn giản chỉ là “cây hấp thụ CO₂ và thải oxygen”. Bên trong một chiếc lá đang diễn ra một chuỗi sự kiện phân tử cực nhanh, nơi hóa học, sinh học và thậm chí vật lý lượng tử gặp nhau.

Có thể chúng ta đã hiểu phương trình của quang hợp từ lâu, nhưng vẫn chưa hoàn toàn hiểu cách tự nhiên khiến phương trình ấy hoạt động hiệu quả đến kinh ngạc.

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước