Cейчас в Северном полушарии весна, и мир вокруг нас позеленел. За моим окном деревья усыпаны листьями, которые действуют как миниатюрные фабрики, собирая солнечный свет и превращая его в пищу. Мы знаем, что происходит эта основная трансакция, но как на самом деле происходит фотосинтез?
Во время фотосинтеза растения используют квантово-механические процессы. Пытаясь понять, как это делают растения, ученые из Чикагского университета недавно смоделировали работу листьев на молекулярном уровне. Они были потрясены увиденным. Оказывается, растения ведут себя как странное пятое состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна. Еще более странным является то, что эти конденсаты обычно обнаруживаются при температурах, близких к абсолютному нулю. Тот факт, что они окружают нас в обычный умеренный весенний день, является настоящим сюрпризом.
Состояния низкой энергии
Три наиболее распространенных состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное. Когда добавляются или удаляются давление или тепло, материал может переходить между этими состояниями. Мы часто слышим, что плазма — это четвертое состояние вещества. В плазме атомы распадаются на суп из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Обычно это происходит при перегреве материала. Солнце, например, в основном представляет собой большой шар сверхгорячей плазмы.
Если материю можно перегреть, то ее можно и переохладить, в результате чего частицы перейдут в состояния с очень низкой энергией. Понимание того, что происходит дальше, требует некоторого знания физики элементарных частиц.
Есть два основных типа частиц, бозоны и фермионы, и их отличает свойство, называемое спином — странная квантово-механическая характеристика, связанная с угловым моментом частицы. Бозоны — это частицы с целым спином (0, 1, 2 и т. д.), а фермионы — с полуцелым спином (1/2, 3/2 и т. д.). Это свойство описывается теоремой о спиновой статистике и означает, что если вы поменяете местами два бозона, вы сохраните ту же волновую функцию. Вы не можете сделать то же самое для фермионов.
В конденсате Бозе-Эйнштейна бозоны внутри материала имеют настолько низкую энергию, что все они занимают одно и то же состояние, действуя как одна частица. Это позволяет увидеть квантовые свойства в макроскопическом масштабе. Конденсат Бозе -Эйнштейна был впервые получен в лаборатории в 1995 году при температуре всего 170 нанокельвинов.
Квантовый фотосинтез
Теперь давайте посмотрим, что происходит в типичном листе во время фотосинтеза.
Растениям нужны три основных ингредиента, чтобы производить себе пищу: углекислый газ, вода и свет. Пигмент под названием хлорофилл поглощает энергию света красного и синего цветов . Он отражает свет с другими длинами волн, из-за чего растение выглядит зеленым.
На молекулярном уровне все становится еще интереснее. Поглощенный свет возбуждает электрон внутри хромофора, части молекулы, определяющей отражение или поглощение света. Это запускает серию цепных реакций, в результате которых растение производит сахар. Используя компьютерное моделирование, исследователи из Чикагского университета изучили, что происходит с зелеными серными бактериями, фотосинтезирующими микробами.
Свет возбуждает электрон. Теперь электрон и оставленное им пустое пространство, называемое дыркой, действуют вместе как бозон. Эта электронно-дырочная пара называется экситоном. Экситон перемещается, чтобы доставить энергию в другое место, где для организма создаются сахара.
«Хромофоры… могут передавать энергию между собой в виде экситонов в реакционный центр, где энергия может быть использована, что-то вроде того, как группа людей перебрасывает мяч к воротам», — объяснила Big Think ведущий автор исследования Анна Схоутен. .
Ученые обнаружили, что пути экситонов в локализованных областях напоминают пути, наблюдаемые в экситонном конденсате — конденсате Бозе-Эйнштейна, состоящем из экситонов. Проблема с экситонными конденсатами заключается в том, что электроны и ионы имеют тенденцию к быстрой рекомбинации. Как только это происходит, экситон исчезает, часто до образования конденсата.
Эти конденсаты удивительно трудно создать в лаборатории, но они были здесь, прямо на глазах у ученых, в грязном организме при комнатной температуре. Образовав конденсат, экситоны образовали одно единственное квантовое состояние. По сути, они действовали как одна частица. Это образует сверхтекучую жидкость — жидкость с нулевой вязкостью и нулевым трением, — позволяющую энергии свободно течь между хромофорами.
Их результаты были опубликованы в PRX Energy .
Грязные условия
Экситоны обычно быстро распадаются, и когда это происходит, они больше не могут передавать энергию. Чтобы продлить срок их службы, они обычно должны быть очень холодными. На самом деле экситонные конденсаты никогда не наблюдались при температурах выше 100 Кельвинов , что является морозным минусом — 173 градуса Цельсия. Вот почему так удивительно видеть такое поведение в запутанной реальной системе при нормальных температурах.
Так что же здесь происходит? Просто еще один способ, которым природа постоянно удивляет нас.
«Фотосинтез работает при нормальных температурах, потому что природа должна работать при нормальных температурах, чтобы выжить, поэтому процесс эволюционировал для этого», — говорит Схоутен.
В будущем конденсаты Бозе-Эйнштейна при комнатной температуре могут найти практическое применение. Поскольку они действуют как единый атом, конденсаты Бозе-Эйнштейна могут дать нам представление о квантовых свойствах, которые было бы трудно наблюдать на атомном уровне. У них также есть приложения для гироскопов , атомных лазеров , высокоточных датчиков времени, гравитации или магнетизма , а также более высокие уровни энергоэффективности и передачи.
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
