Die Photosynthese verwendet einen Prozess, der einem Bose-Einstein-Kondensator überraschend nahe kommt

Angesichts der Tatsache, wie grundlegend und allgegenwärtig die Photosynthese ist, könnte man denken, dass wir schon vor langer Zeit herausgefunden hätten, wie sie funktioniert. Stattdessen bleiben die Hauptteile des Prozesses ein Rätsel. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass eine dieser Phasen verblüffende Ähnlichkeiten mit Exzitonenkondensatoren aufweist, etwas, für dessen Herstellung Physiker große Anstrengungen unternehmen mussten, um es im Labor herzustellen.

Professor David Mazzotti von der University of Chicago leitet ein Labor, das mithilfe von Computermodellen versucht zu verstehen, wie Atome und Moleküle in wichtigen chemischen Prozessen interagieren. Nur wenige dieser Reaktionen sind so wichtig und verbreitet wie die Photosynthese, bei der Pflanzen und Algen die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Zucker und Stärke herzustellen.

Der Prozess beginnt damit, dass Photonen auf die losen Elektronen in den Blättern treffen, wodurch sowohl das Elektron als auch das „Loch“, in dem sich die Ladung befinden sollte, durch das Chromophyll (Chlorophyllmolekül) wandern und Sonnenenergie transportieren. Obwohl dies seit langem bekannt ist, berichten Mazziotti und Kollegen, dass sich Gruppen von Elektronen, Löchern und Löchern nicht immer wie Individuen bewegen.

Zusammen werden ein Elektron und sein Loch als Exziton bezeichnet, und wenn sie zusammen betrachtet werden, hat ein Elektron andere Quanteneigenschaften als jedes für sich allein. Ein Exziton ist beispielsweise ein Boson, während ein Elektron und ein Loch beide Fermionen sind. Durch die Modellierung des Verhaltens vieler Exzitonen und nicht jedes einzelnen stellten die Forscher fest, wie ähnlich ihr Verhalten einem Bose-Einstein-Kondensat ist, das manchmal als „fünfter Aggregatzustand“ nach herkömmlichen Feststoffen, Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen bezeichnet wird .

Bose-Einstein-Kondensate ermöglichen es großen Gruppen von Atomen, die Art von bewusstseinsveränderndem Quantenverhalten zu zeigen, das normalerweise nur auf subatomarer Ebene beobachtet wird. Sie können nicht nur auf universelle Phänomene wie Reibung verzichten, sondern sich auch auf exotische Quantenaktivitäten wie die Kombination von Wellen- und Teilchenverhalten einlassen.

Um Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, müssen Wissenschaftler geordnete Materialien auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt kühlen, aber Pflanzen tun gerade etwas Ähnliches vor Ihrem Fenster (wenn es Tageslicht ist). „Das photonische Licht wird in einem System bei Raumtemperatur geerntet und darüber hinaus ist seine Struktur unstrukturiert – im Gegensatz zu den ursprünglichen amorphen Materialien und kalten Temperaturen, die Sie zur Herstellung von Exzitonenkondensatoren verwenden“, sagte Anna Skotin, erste Doktorandin der Studie. A Stellungnahme.

Die Entdeckung wurde nicht früher gemacht, teilweise weil vegetative Exzitonen kurzlebig sind und normalerweise schnell rekombinieren. Neben niedrigen Temperaturen kann die Rekombination von Exzitonen durch starke Magnetfelder verzögert werden, aber Pflanzen haben diese natürlich auch nicht.

„So weit wir wissen [photosynthesis and exciton condensates] Die Verbindung war noch nie zuvor hergestellt worden, also fanden wir das sehr überzeugend und aufregend“, sagte Mazziotti.

Vielleicht noch überraschender werden Exzitonen, die durch Chromophore gefärbt sind, nicht alle zusammen kondensatorartig. Stattdessen haben die Flecken, die die Autoren eine „Insel“-Form nennen. Diese Inseln sind jedoch keine unabhängige Kuriosität.

Eine belaubte Gruppe von Exzitonen. Das Papier stellt fest, dass ihm „einige der Eigenschaften fehlen könnten, die mit der makroskopischen Exzitonenkondensation verbunden sind“, aber „es wahrscheinlich viele Vorteile behält, einschließlich einer effizienten Energieübertragung“. Wenn dies der Fall wäre, würde dies die Photosynthese effizienter machen und zum Reichtum und zur Fülle des Lebens beitragen. Tatsächlich könnte die Exzitonenkondensation unter idealen Bedingungen die Energieübertragungsrate im Vergleich zu dem, was sonst möglich wäre, verdoppeln.

Selbst Supercomputer haben Mühe, die Komplexität des atomaren und subatomaren Verhaltens während der Photosynthese zu modellieren, sodass die Modelle einfacher werden als viele andere wissenschaftliche Szenarien. Mazziotti warnt jedoch davor, dass Gruppenverhalten nicht ausgeschlossen werden sollte. „Wir denken, dass die lokale Korrelation von Elektronen wesentlich ist, um zu erfassen, wie die Natur in der Realität funktioniert“, sagte er.

Die Studie ist frei zugänglich unter PRX-Energie