Kvantdrömmen som sprack

Året var 2007. Graham Fleming, professor i kemi vid universitetet i Berkeley, Kalifornien, hade en ny avancerad lasermetod till sitt förfogande. Hans forskargrupp använde den för att undersöka klorofyllmolekyler från en bakterie. Resultatet presenterades med den uppseendeväckande tolkningen att nyckeln i fotosyntesen är kvantkoherens – samma kvantmekaniska fenomen som ligger till grund för kvantdatorer.

Resultatet slog ned som en bomb när det publicerades i tidskriften Nature, och styrde in många andra forskare på ett nytt spår. Kvantbiologi blev ett begrepp. I backspegeln är det lätt att se varför detta lockade.

– Det var spännande att tänka sig att kvanteffekter skulle spela en roll även i biologin. Hur coolt vore inte det! säger Donatas Zigmantas, professor i kemisk fysik vid Lunds universitet.

Han befann sig själv vid den här tiden i samma forskargrupp i Berkeley, men arbetade med ett annat projekt. Som de flesta andra forskare på fältet blev han mycket imponerad och intresserad av det nya resultatet. När han fick sin egen forskargrupp i Lund styrde han forskningen mot att utforska fenomenet. På så vis blev han så småningom en av nyckelpersonerna i att förstå vad det var som egentligen hände i det berömda experimentet.

För att hänga med i svängarna behöver vi först förstå vilka kvanteffekter som avses. På ett sätt är egentligen all kemi i grunden kvantmekanik, eftersom det är kvantmekaniken som bestämmer elektronernas energinivåer och hur olika ämnen binder till varandra. Men i kvantbiologin handlar det om vad forskare kallar icke-triviala kvanteffekter: sådant som att partiklar kan ta sig igenom barriärer som borde vara ogenomträngliga, befinna sig på flera ställen samtidigt, eller vara i sammanflätade tillstånd som påverkar varandra på avstånd.

Kvanttillstånden som kan ge sådana effekter är mycket känsliga (se faktarutan om vågegenskaper bakom kvantfenomen). I biologiska system finns så många partiklar, och det är så varmt, att forskare normalt förväntar sig att kvanteffekterna ska släckas ut och vara helt omärkliga. Det var därför det väckte en sådan uppmärksamhet när Graham Flemings experiment tycktes visa på en icke-trivial kvanteffekt i en så viktig reaktion som fotosyntesen. En av dem som blev intresserade var Sebastian Westenhoff, professor vid Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet.

– Kunde det vara så att en kvanteffekt ligger till grund för allt liv? Vi tyckte att det var superspektakulärt, säger han.

Första steget i fotosyntesen är att en foton (ljuspartikel) absorberas av klorofyll och karotenoider – pigmentmolekyler som fungerar som antenner och tar emot ljuset. Den infångade fotonen ger molekylen ett extra tillskott av energi. Då bildas ett energirikt tillstånd, ett elektronvågpaket som kallas för en exciton och som uppför sig som en ny sorts partikel. Excitonen behöver ta sig till en plats som kal las för reaktionscentrum, där dess energi kan omvandlas till kemisk energi, som kan transporteras och användas där den behövs i organismen.

Transporten av energi från antennmolekylen till reaktionscentret är en väldigt effektiv process, där minst nio av tio fotoner som absorberas faktiskt kommer till nytta. Att förstå hur den här mekanismen fungerar är intressant i sig själv, eftersom den är grunden för nästan allt liv på jorden. Dessutom har forskare hoppats att få användning för kunskapen genom att imitera processen i artificiell fotosyntes och framställa bränslen med hjälp av solljus.

Fram till experimentet i Berkeley var den gängse beskrivningen att energin hoppar från molekyl till molekyl, ända tills den når reaktionscentrum. Men hur kan en sådan slumpvandring bli så effektiv?

Graham Fleming och hans forskargrupp tänkte sig i stället att kvanttillstånden svänger på ett sätt som samspelar, koherent, vilket gör det möjligt för excitonen att känna sig fram genom alla vägar samtidigt. På så vis skulle den alltid nå fram till reaktionscentrum utan att riskera att gå vilse.

Tanken var kittlande, men att undersöka vad som faktiskt händer på kvantnivå är väldigt svårt. Den nya experimentteknik Graham Flemings forskargrupp använde gick ut på att skicka in tre korta laserpulser i ett prov. Provets respons på de här signalerna visas sedan i ett tvådimensionellt diagram. Det kallas för tvådimensionell elektronisk spektroskopi, och är en metod som kan locka fram mycket information om elektrontillstånden som annars skulle vara helt oåtkomlig. Men metoden var så ny att forskarna inte själva förstod riktigt hur resultaten skulle tolkas.

– Teorin bakom metoden är svår, och det är nästan ingen som förklarar den på rätt sätt, säger Donatas Zigmantas.

Graham Flemings forskargrupp hittade vad de beskrev som ”kvantsvävningar”, i analogi med det pulserande ljud man kan höra när två nästan likadana toner spelas samtidigt. Svävningarna var ett tecken på att det fanns koherens i klorofyllkomplexet. Något svängde synkroniserat, det var tydligt.

I sin artikel 2007 jämförde forskarna detta med en känd sökalgoritm för kvantdatorer: Grovers algoritm. De föreslog alltså att fotosyntesen på sätt och vis jobbade på samma vis som en kvantdator är tänkt att göra.

Detta var bara ett första resultat, och forskarna beskrev inte sin tolkning om kvantkoherens som ett definitivt svar. Det var ändå tillräckligt lovande för att forskarvärlden skulle kasta sig in i jakten på kvantmekaniken i levande materia.

– Tolkningen var så spännande att alla hoppade på tåget, även från andra fält, säger Sebastian Westenhoff.

Fotosyntesen blev ett hett område, och lockade nu personer även från områden som kvantoptik. Många nya forskningsprojekt startades och fick anslag. Unga forskare valde inriktning på sin karriär för att vara med och lägga grunderna för kvantbiologin. Den första artikeln från Graham Flemings forskargrupp har vid det här laget citerats mer än tretusen gånger.

Men samtidigt började många bli tveksamma, bland dem Donatas Zigmantas och Sebastian Westenhoff.

Donatas Zigmantas hade byggt upp ett experiment av samma typ som forskargruppen i Berkeley, men mycket mer känsligt. Sebastian Westenhoff kom till honom med ett annat fotosyntetiskt protein, som de undersökte tillsammans omkring 2010. De fick en väldigt tydlig effekt, med svävningar som tydde på någon sorts koherens. Problemet var att resultatet var för bra.

– Vi var försiktiga med slutsatserna. Vi skrev i artikeln att det här egentligen inte kunde stämma, säger Sebastian Westenhoff.

De funderade mycket på hur de skulle tolka sina resultat. Samtidigt sysslade andra forskare med samma frågor, bland andra Dwayne Miller vid Max Planck-institutet för materians struktur och dynamik i Hamburg. Hans forskargrupp gjorde flera viktiga experiment och simuleringar. Donatas Zigmantas grävde också ned sig i detaljerna i experimenten, för att kunna tolka resultaten rätt.

Snart gick det upp för de kritiska forskarna att det inte bara var kvantkoherens som kunde orsaka svävningar av det slag de sett. Molekyler lagrar energi på flera sätt, inte bara i elektronerna, utan också genom att vibrera. Vibrationer ger samma typ av svävningar som de sett i experimenten.

Ju fler och noggrannare experiment Donatas Zigmantas gjorde, desto tydligare blev det att kvantkoherens inte kan spela någon roll för fotosyntesen. Koherensen mellan elektronvågpaketen, excitonerna, varar helt enkelt alltför kort tid för att ha någon betydelse. Vibrationerna å andra sidan är mer långvariga, men de kan inte överföra energin till reaktionscentret.

– Ett elektronvågpaket kan förflytta sig, men vibrationsenergin stannar i en och samma molekyl, säger Donatas Zigmantas.

Till slut tog de tillsammans med sexton andra forskare från olika länder itu med att sammanställa sina många olika resultat till en större artikel. Den publicerades i tidskriften Science Advances 2020. Forskarna anser att detta är spiken i kistan för idén om kvantkoherens i fotosyntesen.

Enligt både Donatas Zigmantas och Sebastian Westenhoff är det numera accepterat inom fältet att det inte finns någon icke-trivial kvanteffekt att hitta i just fotosyntesen. Båda har funderat mycket på hur ett fenomen som inte fanns kunde väcka så stor uppmärksamhet och dra med sig så många forskare. På många sätt har det hela fungerat precis som vi tänker oss att vetenskap ska göra: En intressant hypotes dyker upp, testas, och avfärdas.

Samtidigt tycker båda att den tolkning som senare visade sig vara felaktig har fått förvånansvärt stor spridning, och att det har varit svårare att nå ut med den riktiga beskrivningen.

– Den sexigaste tolkningen får all uppmärksamhet, säger Donatas Zigmantas.

De resonerar lite om att det till en del har att göra med att forskning har blivit mer och mer inriktad på att kunna sälja in sin forskning, både i prestigefyllda tidskrifter och hos forskningsfinansiärer.

Även om frågan enligt Donatas Zigmantas och Sebastian Westenhoff nu är avgjord, lär det dröja innan diskussionerna ebbar ut helt. Vid det här laget innehåller till exempel många läroböcker något stycke om att fotosyntesen bygger på kvantkoherens, och det händer att studenter kommer och frågar om detta.

– Det är tråkigt att behöva göra studenter besvikna när de kommer och vill studera det här fenomenet som de har läst om, säger Donatas Zigmantas.

De som tycker att kvantbiologi är spännande behöver dock inte ge upp helt. Det finns andra frågor i biologin där det kan hända att icke-triviala kvanteffekter spelar roll, vilket har fått uppmärksamhet under de senaste åren. Bland annat tittar man på hur fåglar känner av jordens magnetfält, och hur luktsinnet fungerar. Där finns gåtor som återstår att lösa.