ควอนตัมกับสิ่ง “มีชีวิต”vs“ไม่มีชีวิต” | Quantum Biology (2) | ใบไม้โซลาร์เซลล์
[ ว่าด้วยพืชพันธุ์ธัญญาหาร กับปรากฏการณ์ควอนตัม ]
มาเริ่มจากการสังเคราะห์แสงของพืชที่มักจะได้ความรู้กันมาแค่ว่า แสงแดด คลอโรฟิลล์ในใบไม้ และองค์ประกอบอื่นๆ ทำให้พืชใช้แสงมาสังเคราะห์สร้างอาหารได้นั้น ครั้นมาถึงยุคใหม่สามารถอธิบายได้ด้วย“กลศาสตร์ควอนตัม”กันแล้ว และปรากฏมีแนวทางใหม่มากมายเกิดขึ้นเมื่อทั้งสิ่งมีชีวิตและควอนตัมมาทำงานร่วมกัน
เมื่อเข้าใจได้ลึกซึ้งแล้วก็อาจนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่เอี่ยมได้ด้วย เช่น การออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์หรือโซลาร์เซลล์ (solar cell) ให้มีคุณสมบัติเหมือนที่พืชเป็นอยู่โดยธรรมชาติ ประสิทธิภาพของสิ่งประดิษฐ์จะได้ประพฤติตัวเลียนแบบสิ่งมีชีวิตให้เหมือนมากที่สุด และให้ได้พลังงานมาใช้มากที่สุดด้วยจากโซลาเซลล์ที่เป็นดั่งเช่นใบไม้นั้น ทั้งดีและกลมกลืนธรรมชาติ เป็นต้น
ก่อนศตวรรตที่ 20 เป็นไปได้ยากมากที่ศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตและฟิสิกส์จะโคจรมาพบกัน ชีววิทยาถูกมองว่าเป็นอะไรที่ซับซ้อนยุ่งยากเกินกว่าจะอธิบายได้ด้วยสมการหรือตัวเลข หรืออีกนัยหนึ่งสมการทางคณิตศาสตร์และทฤษฎีทางฟิสิกส์จะนำมาใช้อธิบายความซับซ้อนของสิ่งมีชิวิตได้อย่างไรกัน ?
(ขอเวลาให้เทคนิคเข้มๆ สักนิดนึง … ดังนี้) หัวใจการสังเคราะห์แสงของพืชคือการเปลี่ยนพลังงานแสงให้อยู่ในรูปของพลังงานเคมีเก็บในโมเลกุลที่เซลล์สามารถนำไปใช้กับกระบวนการต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในได้ เริ่มต้นที่เม็ดคลอโรพลาสต์ในเซลล์พืชเมื่อผ่าออกและศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน จะพบว่าภายในเป็นเมมเบรนซ้อนทับกันอยู่เป็นกลุ่มๆ เรียกว่า“ไทลาคอยด์” และเจ้าพื้นที่บนเมมเบรนนี้เองเป็นตำแหน่งที่เกิดกระบวนการสังเคราะห์แสง (แต่...ก็เป็นตำแหน่งที่นักฟิสิกส์ไม่คิดอยากไปยุ่งด้วยมาก่อนเลย นั่น)
บนบริเวณนั้นประกอบด้วยกลุ่มเม็ดสีและโปรตีนรับแสงหลายชนิดมีคุณสมบัติดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นจำเพาะ เมื่อเม็ดใดรับมาก็ส่งผ่านพลังงานเป็นทอดๆ สู่เม็ดสีที่อยู่ใกล้เคียงเพื่อลดพลังงานให้อยู่ในช่วงคลื่นที่เหมาะสมแล้วส่งเข้าสู่โมเลกุลศูนย์กลาง หากได้รับพลังงานในช่วงคลื่นที่พอเหมาะ อิเล็กตรอนในโมเลกุลศูนย์กลางนี้จะถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้น (excited state) พร้อมที่จะถ่ายทอดให้กับตัวรับอิเล็กตรอนในลำดับถัดไป … อ่า อย่าเพิ่งมึน (หมดเรื่องวิชาการหนักศรีษะแล้ว)
ในปี ค.ศ. 2010 (พ.ศ.2553) ทีมนักวิจัยควอนตัมจากเบิร์คเลย์ (UC Berkeley) สหรัฐอเมริการายงานว่า การส่งผ่านพลังงานจากแสงอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างเม็ดสีชนิดเดียวกันที่อยู่ติด ๆ กันนั้น ถูกส่งถ่ายในรูปของคลื่นโดยใช้ปรากฏการณ์ควอนตัม (quantum coherence) ซึ่งเป็นการส่งผ่านพลังแบบ“ร้อยเปอร์เซนต์” คือไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย...มีเท่าไหร่ส่งต่อหมดเกลี้ยง
๐ No Fraud
ตามมาด้วยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยลอนดอน (UCL) สหราชอาณาจักร ย้ำอธิบายเหตุการณ์เดียวกันนี้ว่า “การส่งถ่ายพลังงานในโมเลกุลที่ดึงพลังงานจากแสงนั้นเกิดจากการสั่นของรงควัตถุ” เมื่อพลังงานที่สอดคล้องกับการสั่นมีค่าสูงขึ้นจะมีการแลกเปลี่ยนพลังงานเพียงหนึ่งหน่วยหรือเรียกว่าหนึ่ง"ควอนตัม"เท่านั้น” … จึงชัดเจนขึ้นมาอีกหน่อยแล้วว่าแบบนี้เองคือคุณสมบัติที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยฟิสิกส์แบบเก่า (classical) … เวลาของควอนตัมจึงมาถึง
เมื่อมองไปทั่ววงการ เริ่มมีความคึกคักกับการศึกษาวิจัยการสังเคราะห์แสงในเชิงควอนตัมเพื่อเป็นแนวทางการออกแบบโซลาร์เซลล์ให้มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับใบไม้ ก็เพื่อไล่ล่าหาพลังงานปฏิรูปจากแสงแดดมาให้มากที่สุด ทุกเม็ด ทุกหน่วย
เป็นการดีที่โซลาร์เซลล์แบบใหม่จะมีคุณสมบัติดีเหมือนใบไม้ที่แมลงกัดกินไม่ได้ (แต่อาจเสร็จหัวขโมย)... จะดีกว่ามากหากทำให้ใบไม้กลายเป็นโชลาร์เซลล์ได้ทั้งป่า
ชีววิทยาเชิงควอนตัม (Quantum Biology) หมายถึงควอนตัมของ “ส่ิงมีชีวิต” แน่แท้หรือ ?
(บันทึกคอลัมน์เก่าจากนสพ.ไอทีเดลินิวส์เดิม: ๔๖/2014)
