조송현
식물의 광합성이 양자 과정, 즉 양자 광합성이라는 연구가 나왔다. 햇빛을 받아 열심히 광합성 중인 나뭇잎. 사진 = 조송현
광합성이 양자역학적 과정임을 입증한 실험 결과가 처음으로 나왔다.
네덜란드 그로닝겐대학(University of Groningen) 연구팀은 최근 광합성의 핵심 과정인 ‘빛에너지 수확’(light-harvesting) 박테리아에서 양자 중첩(superposition)을 확인했다고 과학전문 매체 COSMOS가 보도했다. 연구 논문은 5월 21일자 Nature Chemistry에 실렸다.
그로닝겐대학의 토마스 라 쿠르 얀센(Thomas la Cour Jansen)이 이끄는 연구원은 빛의 편광을 이용해 박테리아 내부의 광합성 기관을 구성하는 빛-민감 분자의 움직임을 조사했다.
연구팀은 두 개의 분자를 동시에 여기(들뜨게) 하기 위해 한 개의 광자를 사용했는데, 분광학을 이용해 입사한 광자가 목표(두 개의 분자)를 중첩시켰는지 살폈다. 고전역학적으로는 한 개의 광자는 동시에 두 개의 분자를 쪼일 수 없다.
이런 경우 중첩이 되었다면 분광학적으로 특정 진동 신호를 보여주어야 하는데, 연구팀은 이론적으로 예측한 진동 신호를 정확하게 포착했다. 또한 중첩의 지속 시간도 이론의 예측치만큼 충분히 길게 지속됨을 확인했다.
연구팀을 이끈 얀센은 "우리의 실험은 빛에너지가 동시에 두 개의 분자를 쪼이는 ‘양자 중첩’ 현상을 증명한 것“이라고 말했다.
광합성은 엽록소를 함유한 생명체의 근본적인 화학 과정인데, 그것은 양자(역학적) 과정, 다른 말로 하면 ‘양자 광합성(Quantum photosynthesis)’이라는 사실이 증명된 것이다. 생물학적 시스템이 양자 효과가 발생한다는 가설은 오랫동안 의심을 받아왔다. 이번 연구는 생물학적 시스템도 비-생물학적 시스템과 동일한 양자 효과를 나타낸다는 최초의 확실한 증거라는 평가다.
잘 알려진 대로 광합성은 태양빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 탄수화물로 변화시키는 메커니즘이다. 그런데 과학자들은 이 과정의 비밀을 아직 다 캐지 못했다. 이번 연구는 빛 알갱이 한 개가 동시에 두 개의 엽록소를 들뜨게 함으로써 광합성 반응이 신속하게 일어난다는 사실을 확인한 것이다. 광합성이 기계적인 과정이 아니라 양자적 과정이라는 새로운 패러다임을 제시한다.
얀센은 “우리가 확인한 양자 광합성의 메커니즘은 태양 에너지의 저장이나 양자 컴퓨터의 개발과 같은 새로운 양자 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
# 기사출처 : Nature Chemistry, Identification and characterization of diverse coherences in the Fenna–Matthews–Olson complex COSMOS, Quantum photosynthesis
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