กลศาสตร์ควอนตัมกับการสังเคราะห์แสงของพืช ไปด้วยกันได้จริงหรือ?

        ในปีค.ศ. 1988 รางวัลโนเบลสาขาเคมีถูกมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์สามคน ได้แก่ Johann Deisenhofer,  Robert Huber และ Hartmut Michel เพื่อแสดงถึงความสำคัญของงานของพวกเขา ที่ได้ศึกษาโครงสร้างเต็มรูปแบบของกลุ่มโปรตีนและโมเลกุลรงควัตถุที่ทำหน้าที่เป็น reaction center ในกระบวนการสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียสีม่วง กลุ่มโมเลกุล reaction center เหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของการส่งผ่านอิเล็กตรอนที่ทำหน้าที่เป็นเสมือนตัวปลดล็อคขั้นตอนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องในกระบวนการสังเคราะห์แสงให้สามารถเกิดขึ้นได้ งานวิจัยของพวกเขาเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญในการสร้างความเข้าใจต่อกระบวนการสังเคราะห์แสงทั้งในพืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ^[1]


        คงไม่ผิดหากจะกล่าวว่า กระบวนการสังเคราะห์แสง เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญมากที่สุดบนโลกใบนี้ โดยเฉพาะการสังเคราะห์แสงในพืช พืชทำหน้าที่เป็นโรงงานขนาดใหญ่ที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี โดยใช้สารตั้งต้นคือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในอากาศและน้ำ (H2O) ที่ดูดขึ้นไปจากพื้นดิน พลังงานเคมีที่สร้างได้สะสมไว้ในรูปของน้ำตาล (glucose) และระหว่างกระบวนการผลิตเราก็จะได้แก๊สออกซิเจน (O2) ออกมาเป็นผลพลอยได้ ผลผลิตที่ได้นี้เป็นแหล่งอาหารและพลังงานสำคัญ หล่อเลี้ยงทั้งตัวมันเองและสิ่งมีชีวิตระดับสูงๆ ขึ้นไป รวมถึงมนุษย์เราด้วย กระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและแลดูจะเป็นสิ่งปกติธรรมดาทั่วๆ ไป ในพืชเกือบทุกชนิดนี้ แท้จริงแล้วได้ผ่านกระบวนการคัดสรรกลั่นกรองและออกแบบไว้อย่างซับซ้อนและชาญฉลาด ที่สำคัญนับว่าเป็นโจทย์วิจัยที่ยากไม่แพ้ใครเลยทีเดียว


        กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชเกิดขึ้นในส่วนประกอบของเซลล์พืชที่เรียกว่า คลอโรพลาสต์ (chloroplast) ซึ่งภายในนั้นจะมีโครงสร้างของไทลาคอยด์ (thylakoid) ที่มีลักษณะเป็นเหมือนจานเล็กๆ เรียงซ้อนกันอยู่ ที่เยื่อหุ้มผิวของไทลาคอยด์นี้ เป็นที่อยู่ของพวกรงควัตถุ เช่น คลอโรฟิลล์ (chlorophyll) และแคโรทีนอยด์ (carotenoid) รวมถึงกลุ่มโปรตีนต่างๆ ที่มีหน้าที่ในกระบวนการสังเคราะห์แสงนี้ ^[2] รงควัตถุจำพวกคลอโรฟิลล์พบได้ในพืชส่วนใหญ่ ดูดกลืนแสงในช่วงสีม่วง น้ำเงินและแดง หรือคือช่วงความยาวคลื่น 380-500 นาโนเมตรและ 650-700 นาโนเมตร แล้วสะท้อนแสงในช่วงสีเขียวและเหลือง (500-650 นาโนเมตร) เราจึงเห็นพืชส่วนใหญ่มีสีเขียว คลอโรฟิลล์มีการจัดเรียงตัวกันกับโปรตีนในลักษณะที่ทำให้สามารถรับแสงและถ่ายเทพลังงานได้ดี ส่วนประกอบต่างๆ ของกระบวนการที่เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์นี้แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง
                                         
        ใน photosystem II (PSII) ประกอบไปด้วยคลอโรฟิลล์ (ยึดติดกับโปรตีน) จำนวนมาก ทำหน้าที่เป็นเหมือนสายอากาศ ช่วยในการดักจับแสง พืชจึงสามารถทำงานได้แม้ในภาวะแสงน้อย เหล่าสายอากาศนี้จะล้อมรอบโมเลกุลคลอโรฟิลล์และโปรตีนที่มีการจัดเรียงตัวกันแบบพิเศษ เพื่อทำหน้าที่เป็น reaction center ที่ได้กล่าวถึงในตอนแรก พลังงานแสงที่ถูกจับไว้โดยโมเลกุลรอบๆ จะถูกถ่ายเทมายัง reaction center นี้ เพื่อสร้างอิเล็กตรอนอิสระในสภาวะกระตุ้น มันจะถูกส่งไปยังโปรตีนอีกตัวที่ทำหน้าที่ลำเลียงอิเล็กตรอนไปยังส่วนอื่นๆ ของกระบวนการ อิเล็กตรอนที่ถูกส่งผ่านไปนี้จะเป็นตัวขับเคลื่อนขั้นตอนที่เกี่ยวข้อง เพื่อสร้างโมเลกุลที่เรียกว่า  Adenosine triphosphate (ATP) และ Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) ขึ้นมา ทั้ง ATP และ NADPH เป็นเสมือนเชื้อเพลิงสำคัญที่สะสมพลังงานเคมีไว้ และจะถูกใช้งานในกระบวนการสร้างน้ำตาลและกระบวนการอื่นๆ ของพืช อิเล็กตรอนที่สูญเสียไปจาก photosystem II นี้จะถูกแทนที่ด้วยอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของน้ำที่พืชดูดขึ้นไปทางราก เกิดปฏิกิริยาแตกตัวของน้ำแล้วให้แก๊สออกซิเจนออกมา
          มาถึงตรงนี้คงสงสัยแล้วว่ากลศาสตร์ควอนตัมจะมีส่วนร่วมกับกระบวนสังเคราะห์แสงนี้อย่างไร?
         
          การสังเคราะห์แสงของพืชที่ฟังแล้วดูจะเป็นเรื่องทางชีววิทยา แต่จริงๆ แล้วเกี่ยวข้องกับความรู้ทางฟิสิกส์และเคมีมากมาย ข้อเท็จจริงหนึ่งที่น่าทึ่งมากในการสังเคราะห์แสงของพืชตามธรรมชาตินั้นคือ กระบวนการส่งผ่านพลังงานแสงไปยัง reaction center เกิดขึ้นได้ภายใน 100 ps หรือ 0.0000000001 วินาที และมากกว่า 95% ของแสงที่ดูดกลืนไปนั้นถูกนำไปใช้งาน สร้างอิเล็กตรอนขึ้นมาและส่งผ่านไปในกระบวนการต่างๆ ของการสังเคราะห์แสง แม้จะอยู่ในสภาวะที่มีทั้งความชื้น ความร้อน และการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบต่างๆ ในเซลล์พืชที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ^[3] นับว่าเป็นขั้นตอนที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากจนน่าประหลาดใจ สิ่งนี้นี่เองที่ดึงดูดนักวิทยาศาสตร์ให้เข้ามาทำการศึกษาค้นคว้า หากุญแจสำคัญของกระบวนการเพื่อไขความลับของธรรมชาตินี้


        ก่อนที่กลศาสตร์ควอนตัมจะถูกยกเข้ามามีส่วนร่วมในกระบวนการนี้ การส่งต่อพลังงานใน photosystem II จากคลอโรฟิลล์โมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง ไปเรื่อยๆ จนถึง reaction center นั้น ถูกมองว่าเป็นไปแบบสุ่ม เหมือนกับคนเมาที่เดินไปเดินมาอย่างสะเปะสะปะ ซึ่งการส่งผ่านพลังงานในแต่ละครั้งเป็นไปตามหลักการส่งผ่านพลังงานแบบเรโซแนนซ์ของฟอสเตอร์ (Foster resonance energy transfer) ที่อธิบายการถ่ายเทพลังงานผ่านอันตรกิริยาทางไฟฟ้าสถิตย์ อันเนื่องมาจากประจุลบของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นและโฮล (hole) หรือช่องว่างของสถานะพื้นที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป ซึ่งทำหน้าที่เป็นเสมือนประจุบวก เกิดเป็นไดโพล (dipole) หรือสนามไฟฟ้าย่อมๆ ขึ้นมา ที่มีพลังงาน โมเลกุลที่ดูดกลืนพลังงานโฟตอนของแสงจะทำหน้าที่เป็นผู้ให้ ถ่ายเทพลังงานนี้ไปยังอีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งผู้รับ โดยที่ระดับพลังงงานของโมเลกุลทั้งสองต้องมีค่าใกล้เคียงกัน และไม่มีการเปล่งแสงในระหว่างปฏิกิริยา แต่ทว่าหากการถ่ายเทพลังงานนี้เป็นไปอย่างสุ่ม ซึ่งควรมีพลังงานบางส่วนถูกส่งไปถึงจุดหมายและบางส่วนสูญเสียไประหว่างทาง เหตุใดกระบวนการถ่ายเทพลังงานในพืชนี้จึงมีประสิทธิภาพสูงและเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เป็นเหตุให้นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Graham Fleming จาก University of California, Berkeley สหรัฐอเมริกา และกลุ่มวิจัยของเขา ได้หยิบยกแนวคิดทางควอนตัมเข้ามาอธิบายกระบวนการนี้ ^[4] เขาทำการทดลองด้วยเทคนิคทางเลเซอร์ที่เรียกว่า 2-dimensional electronic spectroscopy (2DES) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ซับซ้อนประกอบด้วยลำแสงเลเซอร์สั้นๆ (laser pulses) 3 ลำ ทำหน้าที่กระตุ้นระบบที่ต้องการศึกษา ณ ช่วงเวลาต่างกัน และตรวจวัดสัญญาณเปล่งแสงจากระบบนั้น สัญญาณที่ได้นี้แสดงถึงการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในระบบและความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานนั้นๆ พวกเขาพบสัญญาณที่มีลักษณะการสั่นที่อาจเกิดจากการแทรกสอด (interference) ของคลื่นจากหลายแหล่งกำเนิดที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน ซึ่งสื่อถึงปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่เกิดขึ้น ^[5], ^[6] โดยพวกเขาได้เสนอว่าสัญญาณนี้เกิดจากเมื่อโฟตอนของแสงถูกดูดกลืนไปโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์โมเลกุลหนึ่ง แล้วเกิดปราฏการณ์ทางควอนตัมที่เรียกว่า quantum coherence ทำให้โฟตอนของแสงถูกถ่ายเทไปในทุกทิศทางพร้อมๆ กัน มันจึงสามารถหาทางที่สั้นที่สุดที่จะไปถึงยัง reaction center ได้   


        หลักการของ quantum coherence หรือภาวะพัวพันทางควอนตัม เกิดจากการที่อนุภาค (หรืออาจมองเป็นคลื่นเนื่องมาจากสมบัติทวิภาคทางควอนตัม) ไม่ได้อยู่ในสถานะใดเพียงสถานะเดียว หลักการนี้เรียกว่า superposition ตัวอย่างที่โด่งดังของหลักการนี้คือ การทดลองทางความคิดเรื่องแมวของชโรดิงเจอร์ ที่ถูกจับเข้าไปอยู่ในกล่องพร้อมด้วยยาพิษและสารกัมมันตรังสี ยาพิษจะทำงานเมื่อมีการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี ทั้งหมดนี้อยู่ในกล่องที่ปิด เราไม่สามารถรู้ได้เลยว่ายาพิษจะทำงานหรือไม่หรือเมื่อใด และแมวที่อยู่ในกล่องนั้นจะยังมีชีวิตอยู่หรือตายแล้ว จนกว่าเราจะเปิดกล่องดู ซึ่งก็คือการวัดสถานะของระบบนั่นเอง อาจฟังดูโหดร้ายไปสักหน่อย แต่หากเราไม่ได้ไปรบกวนระบบ แมวอาจจะเป็นหรือตายก็ได้ในเวลาเดียวกัน นี่คือตัวอย่างของหลักการ superposition ที่อนุภาคหรือคลื่นอาจเป็นมากกว่าหนึ่งสถานะในขณะเวลาเดียวกัน แยกไม่ออก จนกว่าเราจะตรวจวัดระบบนั้นๆ หลักการนี้ถูกนำมาอธิบายการส่งผ่านพลังงานของโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ดักจับโฟตอนของแสง แล้วส่งผ่านไปยัง reaction center เมื่อโฟตอนถูกดูดกลืนด้วยโมเลกุลหนึ่ง มันอาจไม่ต้องเลือกกระโดดไปยังโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่ง แต่สามารถไปได้ทุกทิศทาง เหมือนกับการหว่านหินไปรอบๆ ตัวด้วยแรงเท่ากัน มันอาจจะเจอทางที่ลาดลงเนิน ที่หินสามารถกลิ้งตรงไปยัง reaction center ได้โดยเร็ว นี่อาจเป็นตัวช่วยที่ทำให้การส่งผ่านพลังงานนี้มีประสิทธิภาพ แทนที่จะเดินสุ่มไปอย่างสะเปะสะปะ


        แต่ทว่าผลการทดลองนี้ก็นำมาซึ่งข้อถกเถียงทางวิทยาศาสตร์มากมาย มีนักวิจัยหลายกลุ่มได้ออกมาแสดงความคิดเห็นทั้งเห็นด้วยและไม่เห็นด้วยในการที่นำหลักการทางควอนตัมมาอธิบายผลการทดลองนี้ อย่างเช่นงานของนักวิจัยชื่อ Dwayne Miller จากสถาบัน Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter เมืองฮัมเบิร์ก ประเทศเยอรมนี พร้อมด้วยกลุ่มวิจัยของเขา ^[7] ที่โต้แย้งเต็มที่ โดยให้ความเห็นว่า ภาวะพัวพันทางควอนตัมนี้โดยปกติแล้วจะมีช่วงเวลาในการคงอยู่ที่สั้นมากจึงไม่น่าส่งผลอะไรที่สำคัญต่อระบบ นอกจากนั้น ระบบส่วนใหญ่ที่เราพบเจอภาวะทางควอนตัมนี้จะอยู่ในสภาพที่อุณภูมิต่ำมากและอยู่ในระบบปิด มีสิ่งรบกวนน้อยมากเท่านั้น จึงไม่น่าเป็นไปได้เลยที่จะพบเจอในระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนเช่นนี้


        จนถึงปัจจุบันคำถามนี้ก็ยังคงไม่ได้รับคำตอบที่เป็นที่ยอมรับของทุกฝ่าย แต่อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่ามันจะฟังดูเหลือเชื่อไปสักหน่อยที่เราพบสภาวะทางควอนตัมในระบบใหญ่ๆ ทางชีววิทยา แต่เราก็ไม่สามารถตัดข้อสังเกตนี้ออกไปได้ ตราบใดที่ปริศนานี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ นอกจากนั้นกลศาสตร์ควอนตัมก็ได้ถูกหยิบยกเข้ามาอธิบายกระบวนการทางชีววิทยาอื่นๆ มากขึ้น ประกอบด้วยการพัฒนาเครื่องมือการวัดด้วยเทคนิคทางเลเซอร์ที่ดีขึ้น ทำให้เราสามารถศึกษาระบบต่างๆ ได้อย่างหลากหลายและลึกซึ้งขึ้นด้วย สาขาวิจัยชีววิทยาควอนตัม (quantum biology) นี้น่าจับตามองเป็นอย่างมาก ซึ่งเป็นการวิจัยระดับพื้นฐานโดยใช้เครื่องมือและความรู้ที่มีอยู่อย่างบูรณาการ ก่อให้เกิดองค์ความรู้สำคัญใหม่ๆ ทางวิทยาศาสตร์ ความรู้ความเข้าใจที่ได้อาจปฏิวัติตำราเรียนทางชีววิทยาที่เราใช้กันมาและอาจเป็นแรงบันดาลใจในการสร้างสรรค์เทคโนโลยีใหม่ๆ พลิกโฉมหน้าการใช้พลังงานในอนาคตเลยก็เป็นได้  
อ้างอิง

• [1]     “Press release. NobelPrize.org.,” Nobel Media AB, 2019. [Online]. Available: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/press-release/.
• [2]     A. Vidyasagar, “What Is Photosynthesis?,” livescience, 2018. [Online]. Available: https://www.livescience.com/51720-photosynthesis.html
• [3]     T. Ritz, A. Damjanovic, and K. Schulten, “The Quantum Physics of Photosynthesis,” ChemPhysChem, vol. 3, pp. 243–248, 2002.
• [4]     G. S. Engel et al., “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature, vol. 446, no. 7137, pp. 782–786, 2007.
• [5]     F. Fassioli, R. Dinshaw, P. C. Arpin, and G. D. Scholes, “Photosynthetic light harvesting: excitons and coherence,” J. R. Soc., vol. 11, no. 92, pp. 1–22, 2013.
• [6]    P. Ball, “Is photosynthesis quantum-ish?,” Physics World, 2018. [Online]. Available: https://physicsworld.com/a/is-photosynthesis-quantum-ish/.
• [7]    H.-G. Duan et al., “Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer,” Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 114, no. 32, pp. 8493–8498, 2017.