Wie Pflanzen quantenmechanische Meisterleistungen vollbringen können

Es ist jetzt Frühling auf der Nordhalbkugel und die Welt um uns herum ist grün. Vor meinem Fenster stehen Bäume voller Blätter, die wie Miniaturpflanzen wirken, Sonnenlicht sammeln und es in Nahrung umwandeln. Wir wissen, dass dieser grundlegende Vorgang stattfindet, aber wie läuft die Photosynthese wirklich ab?

Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen quantenmechanische Prozesse. Um zu verstehen, wie Pflanzen dies tun, Wissenschaftler der University of Chicago Kürzlich hat er modelliert, wie Blätter auf molekularer Ebene funktionieren. Sie waren erstaunt über das, was sie sahen. Es stellt sich heraus, dass sich Pflanzen wie ein seltsamer fünfter Aggregatzustand verhalten, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist. Noch seltsamer ist, dass diese Kondensate normalerweise bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gefunden werden. Dass sie an einem normalen, milden Frühlingstag um uns herum sind, ist eine echte Überraschung.

Niedrigenergieländer

Die drei häufigsten Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig. Wenn Druck oder Wärme hinzugefügt oder entfernt wird, kann Materie zwischen diesen Zuständen übergehen. Wir hören oft, dass Plasma der vierte Zustand der Materie ist. Im Plasma lösen sich Atome in eine Suppe aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen auf. Dies geschieht normalerweise, wenn das Material zu heiß wird. Die Sonne zum Beispiel ist größtenteils eine große Kugel aus überhitztem Plasma.

Wenn Materie sehr heiß sein kann, kann sie auch unterkühlt werden, wodurch Teilchen in Zustände mit sehr niedriger Energie fallen. Um zu verstehen, was als nächstes passiert, sind einige Kenntnisse der Teilchenphysik erforderlich.

Es gibt zwei Haupttypen von Teilchen: Bosonen und Fermionen. Was sie voneinander unterscheidet, ist eine Eigenschaft namens Spin – eine seltsamerweise mechanische Eigenschaft, die mit dem Drehimpuls eines Teilchens zusammenhängt. Bosonen sind Teilchen mit ganzzahligen Spins (0, 1, 2 usw.), während Fermionen halbzahlige Spins (1/2, 3/2 usw.) haben. Diese Eigenschaft wurde bereits beschrieben Theorie der SpinstatistikDas heißt, wenn Sie zwei Bosonen vertauschen, behalten Sie die gleiche Wellenfunktion. Mit Fermionen ist das nicht möglich.

In Bose-Einstein-KondensatorDie Bosonen innerhalb einer Substanz haben eine so niedrige Energie, dass sie alle denselben Zustand einnehmen und wie ein einzelnes Teilchen wirken. Dadurch können Quanteneigenschaften auf makroskopischer Ebene beobachtet werden. A Bose-Einstein-Kondensator Es wurde erstmals 1995 im Labor bei einer Temperatur von maximal 170 Nanokelvin hergestellt.

Quantitative Photosynthese

Schauen wir uns nun an, was in einem typischen Blatt während der Photosynthese passiert.

Pflanzen benötigen drei Grundzutaten, um ihre eigene Nahrung herzustellen: Kohlendioxid, Wasser und Licht. Ein Pigment namens Chlorophyll Es absorbiert Energie aus Licht in roten und blauen Wellenlängen. Es reflektiert Licht in anderen Wellenlängen, wodurch die Pflanze grün erscheint.

Auf molekularer Ebene wird es noch viel interessanter. Das absorbierte Licht regt ein Elektron im Chromophor an, einem Teil des Moleküls, der dessen Reflexionsvermögen oder Lichtabsorption bestimmt. Dies löst eine Reihe von Kettenreaktionen aus, die letztendlich zur Produktion von Zucker für die Pflanze führen. Mithilfe von Computermodellen untersuchten Forscher der University of Chicago, was in grünen Schwefelbakterien, einer photosynthetischen Mikrobe, passiert.

Licht regt ein Elektron an. Nun wirken das Elektron und der von ihm hinterlassene leere Raum, das sogenannte Loch, als Boson zusammen. Dieses Elektron-Loch-Paar wird Exziton genannt. Das Exziton wandert, um Energie an einen anderen Ort zu liefern, wo Zucker für den Organismus erzeugt wird.

„Chromophore können Energie zwischen sich in Form von Exzitonen an ein Interaktionszentrum übertragen, wo die Energie genutzt werden kann, so wie eine Gruppe von Menschen einen Ball zu einem Ziel spielt“, erklärte Anna Scottin, die Hauptautorin der Studie, gegenüber Big Think. .

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Bahnen der Exzitonen innerhalb der lokalisierten Regionen denen im Inneren eines Exzitonenkondensators ähneln – einem Bose-Einstein-Kondensat aus Exzitonen. Die Herausforderung bei Exzitonenkondensatoren besteht darin, dass Elektronen und Ionen dazu neigen, schnell zu rekombinieren. Sobald dies geschieht, verschwindet das Exziton, oft bevor sich ein Kondensator bilden kann.

Es ist sehr schwierig, diese Kondensate im Labor zu erzeugen, aber sie befanden sich hier, direkt vor den Augen der Wissenschaftler, in einem chaotischen Organismus bei Raumtemperatur. Durch kondensierte Bildung bildeten die Exzitonen einen einzigen Quantenzustand. Im Wesentlichen verhielten sie sich wie ein einzelnes Teilchen. Dadurch entsteht ein Superfluid – eine Flüssigkeit ohne Viskosität und ohne Reibung –, die einen freien Energiefluss zwischen den Chromophoren ermöglicht.

Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht PRX-Energie.

chaotische Zustände

Exzitonen zerfallen normalerweise schnell und können dann keine Energie mehr übertragen. Um ihnen eine längere Lebensdauer zu ermöglichen, müssen sie meist sehr kalt gelagert werden. Tatsächlich wurden Exzitonenkondensatoren noch nie zuvor gesehen über Temperaturen von 100 K, das sind lauwarme minus 173 Grad Celsius. Deshalb ist es so überraschend, dieses Verhalten in einem wirklich chaotischen System bei normalen Temperaturen zu beobachten.

Also, was ist hier los? Nur eine weitere Art und Weise, wie uns die Natur immer wieder überrascht.

„Die Photosynthese funktioniert bei normalen Temperaturen, weil die Natur zum Überleben bei normalen Temperaturen arbeiten muss. Daher wurde der Prozess dafür entwickelt“, sagt Schotten.

In Zukunft könnten Bose-Einstein-Kondensate bei Raumtemperatur praktische Anwendungen finden. Da sie sich wie ein einzelnes Atom verhalten, könnten Bose-Einstein-Kondensate uns Einblicke in Quanteneigenschaften geben, die auf atomarer Ebene schwer zu beobachten sind. Sie haben auch Apps für GyrosUnd MaislaserUnd Hochpräzise Zeit-, Schwerkraft- oder MagnetsensorenUnd Höhere Energieeffizienz und Übertragung.