Cum pot plantele să realizeze fapte ale mecanicii cuantice

Acum este primăvară în emisfera nordică, iar lumea din jurul nostru este verde. În afara ferestrei mele, copacii sunt plini de frunze care acționează ca niște plante în miniatură, adunând lumina soarelui și transformând-o în hrană. Știm că această tranzacție de bază are loc, dar cum se întâmplă cu adevărat fotosinteza?

În timpul fotosintezei, plantele folosesc procese mecanice cuantice. În efortul de a înțelege cum fac plantele acest lucru, Oameni de știință de la Universitatea din Chicago El a modelat recent cum funcționează frunzele la nivel molecular. Au rămas uimiți de ceea ce au văzut. Se pare că plantele se comportă ca o a cincea stare ciudată a materiei, cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein. Și mai ciudat, aceste condensuri se găsesc de obicei la temperaturi apropiate de zero absolut. Faptul că sunt în preajma noastră într-o zi normală și blândă de primăvară este o adevărată surpriză.

țări cu energie scăzută

Cele mai comune trei stări ale materiei sunt solidă, lichidă și gazoasă. Când presiunea sau căldura este adăugată sau îndepărtată, materia poate trece între aceste stări. Auzim adesea că plasma este a patra stare a materiei. În plasmă, atomii se dizolvă într-o supă de ioni încărcați pozitiv și electroni încărcați negativ. Acest lucru se întâmplă de obicei când materialul devine prea fierbinte. Soarele, de exemplu, este în mare parte o minge mare de plasmă supraîncălzită.

Dacă materia poate fi foarte fierbinte, poate fi, de asemenea, suprarăcită, determinând particulele să cadă în stări de energie foarte scăzută. Înțelegerea a ceea ce se întâmplă în continuare necesită anumite cunoștințe despre fizica particulelor.

Există două tipuri principale de particule, bozoni și fermioni, iar ceea ce le deosebește este o proprietate numită spin – o proprietate mecanică curios legată de momentul unghiular al unei particule. Bosonii sunt particule cu spini întregi (0, 1, 2, etc.), în timp ce fermionii au spini întregi (1/2, 3/2 etc.). Această proprietate a fost descrisă anterior Teoria statisticii spin, ceea ce înseamnă că dacă schimbați doi bosoni, veți păstra aceeași funcție de undă. Nu poți face același lucru cu fermionii.

în Condensator Bose-Einstein, bosonii dintr-o substanță au o energie atât de scăzută încât toți ocupă aceeași stare, acționând ca o singură particulă. Acest lucru permite ca proprietățile cuantice să fie văzute la scară macroscopică. A Condensator Bose-Einstein A fost creat într-un laborator pentru prima dată în 1995, la o temperatură de cel mult 170 nanokelvin.

Fotosinteza cantitativă

Acum, să aruncăm o privire la ceea ce se întâmplă într-o frunză tipică în timpul fotosintezei.

Plantele au nevoie de trei ingrediente de bază pentru a-și face propria hrană – dioxid de carbon, apă și lumină. Un pigment numit clorofilă Absoarbe energia din lumină în lungimi de undă roșii și albastre. Reflectează lumina în alte lungimi de undă, ceea ce face ca planta să pară verde.

La nivel molecular, lucrurile devin mult mai interesante. Lumina absorbită excită un electron din cromofor, care este o parte a moleculei care determină reflectanța sau absorbția luminii. Aceasta declanșează o serie de reacții în lanț care ajung să producă zaharuri pentru plantă. Folosind modelarea computerizată, cercetătorii de la Universitatea din Chicago au examinat ce se întâmplă în bacteriile verzi cu sulf, un microb fotosintetic.

Lumina excită un electron. Acum electronul și spațiul gol pe care l-a lăsat în urmă, numit gaură, funcționează împreună ca un boson. Această pereche electron-gaură se numește exciton. Excitonul călătorește pentru a furniza energie în altă parte, unde zaharurile sunt create pentru organism.

„Cromoforii pot transfera energie între ei sub formă de excitoni către un centru de interacțiune unde energia poate fi folosită, ca un grup de oameni care trec o minge către o țintă”, a explicat pentru Big Think Anna Scottin, autorul principal al studiului. .

Oamenii de știință au descoperit că căile excitonilor în regiunile localizate sunt similare cu cele observate în interiorul unui condensator de exciton – un condensat Bose-Einstein format din excitoni. Provocarea condensatoarelor cu exciton este că electronii și ionii tind să se recombine rapid. Odată ce se întâmplă acest lucru, excitonul dispare, adesea înainte ca un condensator să se poată forma.

Este foarte dificil să creezi aceste condensuri în laborator, dar au fost aici, chiar în fața ochilor oamenilor de știință, într-un organism haotic la temperatura camerei. Prin formarea condensată, excitonii au format o singură stare cuantică. În esență, au acționat ca o singură particulă. Acesta formează un superfluid – un fluid fără vâscozitate și fără frecare – permițând energiei să curgă liber între cromofori.

Rezultatele lor au fost publicate în Energie PRX.

condiţii haotice

Excitonii se degradează de obicei rapid și, atunci când o fac, nu mai pot transfera energie. Pentru a le oferi o viață mai lungă, de obicei trebuie ținute la rece. De fapt, condensatoarele cu exciton nu au mai fost văzute până acum peste temperaturi de 100 K, care este un minus 173 de grade Celsius. Acesta este motivul pentru care este atât de surprinzător să vedem acest comportament într-un sistem cu adevărat haotic la temperaturi normale.

Deci, ce se întâmplă aici? Doar un alt mod prin care natura ne surprinde constant.

„Fotosinteza funcționează la temperaturi normale, deoarece natura trebuie să lucreze la temperaturi normale pentru a supraviețui, așa că procesul a evoluat pentru a face asta”, spune Schotten.

În viitor, condensatele Bose-Einstein la temperatura camerei pot avea aplicații practice. Deoarece acţionează ca un singur atom, condensatele Bose-Einstein ne pot oferi o perspectivă asupra proprietăţilor cuantice care sunt greu de observat la nivel atomic. Au și aplicații pentru giroscopiiȘi Laser pentru porumbȘi Senzori de timp, gravitație sau magnetici foarte precisiȘi Niveluri mai ridicate de eficiență energetică și transmisie.