Na półkuli północnej jest teraz wiosna, a świat wokół nas zazielenił się. Za moim oknem drzewa są wypełnione liśćmi, które działają jak miniaturowe fabryki, zbierając światło słoneczne i przekształcając je w żywność. 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 University of Chicago modelowali ostatnio działanie liści na poziomie molekularnym. Byli zszokowani tym, co zobaczyli. Okazuje się, że rośliny zachowują się jak dziwny, piąty stan materii znany jako kondensat Bosego-Einsteina. Jeszcze dziwniejsze jest to, że te kondensaty zwykle występują w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Fakt, że są wokół nas w normalny, umiarkowany wiosenny dzień, jest prawdziwą niespodzianką.

Stany o niskiej energii

Trzy najpowszechniejsze stany skupienia materii to stały, ciekły i gazowy. Po dodaniu lub usunięciu ciśnienia lub ciepła materiał może zmieniać się między tymi stanami. Często słyszymy, że plazma jest czwartym stanem materii. W plazmie atomy rozpadają się na zupę dodatnio naładowanych jonów i ujemnie naładowanych elektronów. Zwykle dzieje się tak, gdy materiał jest przegrzany. Na przykład Słońce jest w większości wielką kulą bardzo gorącej plazmy.

Jeśli materię można przegrzać, można ją również przechłodzić, 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 różni, jest właściwość zwana spinem — dziwna, kwantowo-mechaniczna charakterystyka związana z momentem pędu cząstki. Bozony to cząstki o spinie całkowitym (0, 1, 2 itd.), podczas gdy fermiony mają spin połówkowy (1/2, 3/2 itd.). Ta właściwość jest opisana przez twierdzenie o statystyce spinowej i oznacza, że ​​jeśli zamienimy dwa bozony, zachowamy tę samą funkcję falową. Nie możesz zrobić tego samego dla fermionów.

W kondensacie Bosego-Einsteina bozony w materiale mają tak niską energię, że wszystkie zajmują ten sam stan, działając jak pojedyncza cząstka. Pozwala to zobaczyć właściwości kwantowe w skali makroskopowej. Kondensat Bosego-Einsteina powstał w laboratorium po raz pierwszy w 1995 roku w temperaturze zaledwie 170 nanokelwinów.

Fotosynteza kwantowa

Teraz spójrzmy, 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 o innych długościach fal, co sprawia, że ​​roślina wygląda na zieloną.

Na poziomie molekularnym sprawy stają się jeszcze bardziej interesujące. Zaabsorbowane światło wzbudza elektron w chromoforze, części cząsteczki, która określa jej odbicie lub absorpcję 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 w zielonych bakteriach siarkowych, fotosyntetyzujących drobnoustrojach.

Światło wzbudza elektron. Teraz elektron i pozostawiona przez niego pusta przestrzeń, zwana dziurą, działają razem jak bozon. Ta para elektron-dziura nazywana jest ekscytonem. Ekscyton przemieszcza się, aby dostarczyć energię do innego miejsca, gdzie powstają cukry dla organizmu.

„Chromofory… mogą przekazywać energię między sobą w postaci ekscytonów do centrum reakcji, w którym można wykorzystać energię, podobnie jak grupa ludzi podających piłkę do bramki” – wyjaśniła Big Think Anna Schouten, główna autorka badania .

Naukowcy odkryli, że ścieżki ekscytonów w zlokalizowanych obszarach przypominały te obserwowane w kondensacie ekscytonów — kondensacie Bosego-Einsteina złożonym z ekscytonów. Wyzwanie związane z kondensatami ekscytonów polega na tym, że elektrony i jony mają tendencję do szybkiej rekombinacji. Kiedy to nastąpi, ekscyton znika, często zanim powstanie kondensat.

Kondensaty te są niezwykle trudne do wytworzenia w laboratorium, ale tutaj, na oczach naukowców, znajdowały się w zabałaganionym organizmie w temperaturze pokojowej. Tworząc kondensat, ekscytony utworzyły jeden pojedynczy stan kwantowy. W istocie zachowywali się jak pojedyncza cząsteczka. Tworzy to nadciecz — płyn o zerowej lepkości i zerowym tarciu — umożliwiając swobodny przepływ energii między chromoforami.

Ich wyniki zostały opublikowane w PRX Energia.

Brudne warunki

Ekscytony normalnie zanikają szybko, a kiedy już to robią, nie mogą już przenosić energii. Aby zapewnić im dłuższą żywotność, zwykle muszą być bardzo zimne. W rzeczywistości kondensatów ekscytonów nigdy nie widziano powyżej temperatury 100 kelwinów, co jest mroźnym minusem -173 stopni Celsjusza. Dlatego tak zaskakujące jest obserwowanie tego zachowania w bałaganie, rzeczywistym systemie w normalnych temperaturach.

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

„Fotosynteza zachodzi w normalnych temperaturach, ponieważ natura musi działać w normalnych temperaturach, aby przetrwać, więc proces ewoluował, aby to robić” – mówi Schouten.

W przyszłości kondensaty Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej mogą mieć praktyczne zastosowania. Ponieważ działają jak pojedynczy atom, kondensaty Bosego-Einsteina mogą dać nam wgląd w właściwości kwantowe, które trudno byłoby zaobserwować na poziomie atomowym. Mają również zastosowania w żyroskopach, laserach atomowych, precyzyjnych czujnikach czasu, grawitacji lub magnetyzmu oraz wyższych poziomach efektywności energetycznej i transferu.