Jak rośliny mogą dokonywać wyczynów mechaniki kwantowej

Na półkuli północnej jest teraz wiosna, a świat wokół nas jest zielony. Za moim oknem drzewa są pełne liści, które zachowują się jak miniaturowe rośliny, zbierając światło słoneczne i zamieniając je w pożywienie. Wiemy, że ta podstawowa transakcja ma miejsce, ale jak naprawdę zachodzi fotosynteza?

Podczas fotosyntezy rośliny wykorzystują procesy mechaniki kwantowej. Próbując zrozumieć, w jaki sposób rośliny to robią, Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago Niedawno modelował działanie liści na poziomie molekularnym. Byli zdumieni tym, co zobaczyli. Okazuje się, że rośliny zachowują się jak dziwny piąty stan materii znany jako kondensat Bosego-Einsteina. Jeszcze dziwniejsze jest to, że kondensaty te zwykle występują w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Fakt, że są wokół nas w normalny, łagodny wiosenny dzień, jest prawdziwym zaskoczeniem.

kraje o niskim zużyciu energii

Trzy najpowszechniejsze stany skupienia materii to stały, ciekły i gazowy. Gdy ciśnienie lub ciepło są dodawane lub usuwane, materia może przechodzić między tymi stanami. Często słyszymy, że plazma jest czwartym stanem materii. W plazmie atomy rozpuszczają się w zupie dodatnio naładowanych jonów i ujemnie naładowanych elektronów. Zwykle dzieje się tak, gdy materiał jest zbyt gorący. Na przykład Słońce jest w większości dużą kulą przegrzanej plazmy.

Jeśli materia może być bardzo gorąca, może również ulec przechłodzeniu, powodując, że cząstki wpadają w stany o bardzo niskiej energii. Zrozumienie, co dzieje się dalej, wymaga pewnej wiedzy z zakresu fizyki cząstek elementarnych.

Istnieją dwa główne typy cząstek, bozony i fermiony, a tym, co je wyróżnia, jest właściwość zwana spinem — osobliwie mechaniczna właściwość związana z momentem pędu cząstki. Bozony to cząstki o spinach całkowitych (0, 1, 2 itd.), podczas gdy fermiony mają spiny połówkowe (1/2, 3/2 itd.). Ta właściwość została opisana wcześniej Teoria statystyki spinowej, co oznacza, że ​​jeśli zamienisz dwa bozony, zachowasz tę samą funkcję falową. Nie możesz zrobić tego samego z fermionami.

W Kondensator Bosego-Einsteina, bozony w substancji mają tak niską energię, że wszystkie zajmują ten sam stan, działając jak pojedyncza cząstka. Pozwala to zobaczyć właściwości kwantowe w skali makroskopowej. A Kondensator Bosego-Einsteina Po raz pierwszy powstał w laboratorium w 1995 roku, w temperaturze nie przekraczającej 170 nanokelwinów.

Ilościowa fotosynteza

Przyjrzyjmy się teraz, co dzieje się w typowym liściu podczas fotosyntezy.

Rośliny potrzebują trzech podstawowych składników do wytwarzania własnego pożywienia – dwutlenku węgla, wody i światła. Pigment zwany chlorofilem Pochłania energię ze światła o długości fali czerwonej i niebieskiej. Odbija światło w innych długościach fal, co sprawia, że ​​roślina wydaje się zielona.

Na poziomie molekularnym sprawy stają się o wiele bardziej interesujące. Zaabsorbowane światło wzbudza elektron w chromoforze, który jest częścią cząsteczki decydującą o jej współczynniku odbicia lub absorpcji światła. To rozpoczyna serię reakcji łańcuchowych, które kończą się produkcją cukrów dla rośliny. Korzystając z modelowania komputerowego, naukowcy z University of Chicago zbadali, co dzieje się z bakteriami zielonej siarki, mikroorganizmem fotosyntetyzującym.

Światło wzbudza elektron. Teraz elektron i pusta przestrzeń, którą pozostawił, zwana dziurą, działają razem jako bozon. Ta para elektron-dziura nazywana jest ekscytonem. Ekscyton przemieszcza się, aby dostarczyć energię gdzie indziej, gdzie powstają cukry dla organizmu.

„Chromofory mogą przenosić energię między sobą w postaci ekscytonów do centrum interakcji, w którym energia może być wykorzystana, na przykład grupa ludzi podających piłkę do celu” – wyjaśniła Big Think Anna Scottin, główna autorka badania. .

Naukowcy odkryli, że ścieżki ekscytonów w zlokalizowanych regionach są podobne do tych obserwowanych wewnątrz kondensatora ekscytonów – kondensatu Bosego-Einsteina utworzonego z ekscytonów. Wyzwanie związane z kondensatorami ekscytonowymi polega na tym, że elektrony i jony mają tendencję do szybkiej rekombinacji. Kiedy to nastąpi, ekscyton znika, często zanim powstanie kondensator.

Bardzo trudno jest wytworzyć te kondensaty w laboratorium, ale były one tutaj, na oczach naukowców, w chaotycznym organizmie w temperaturze pokojowej. W wyniku skondensowanej formacji ekscytony utworzyły pojedynczy stan kwantowy. Zasadniczo zachowywały się jak pojedyncza cząsteczka. Tworzy to nadciecz – płyn bez lepkości i bez tarcia – umożliwiając swobodny przepływ energii między chromoforami.

Ich wyniki zostały opublikowane w PRX Energia.

chaotyczne warunki

Ekscytony zwykle rozpadają się szybko, a kiedy już to robią, nie mogą już przenosić energii. Aby zapewnić im dłuższe życie, zwykle należy je przechowywać w bardzo niskich temperaturach. W rzeczywistości nigdy wcześniej nie widziano kondensatorów ekscytonowych powyżej temperatury 100 K, czyli letni minus 173 stopnie Celsjusza. Dlatego tak zaskakujące jest obserwowanie tego zachowania w prawdziwie chaotycznym systemie w normalnych temperaturach.

Więc co tu się dzieje? To kolejny sposób, w jaki natura nieustannie nas zaskakuje.

„Fotosynteza działa w normalnych temperaturach, ponieważ natura musi pracować w normalnych temperaturach, aby przetrwać, więc proces ewoluował, aby to robić” – mówi Schotten.

W przyszłości kondensaty Bosego-Einsteina o temperaturze pokojowej mogą mieć praktyczne zastosowania. Ponieważ zachowują się jak pojedynczy atom, kondensaty Bosego-Einsteina mogą dać nam wgląd w właściwości kwantowe, które są trudne do zaobserwowania na poziomie atomowym. Mają też aplikacje do GyrosI Laser kukurydzianyI Bardzo dokładne czujniki czasu, grawitacji lub magnetyczneI Wyższe poziomy efektywności energetycznej i transmisji.