Pflanzen nutzen die Quantenphysik zu überleben

Menschen nicht teleportieren oder befinden sich an mehreren Orten gleichzeitig – aber können die kleinsten Teilchen der Materie.

Traditionell wurden diese unheimliche Quanteneffekte untersucht und beobachtet nur unter streng kontrollierten Bedingungen eines Physik-Labor. Das heißt, bis einige Wissenschaftler, dass solche Verrücktheit vorschlug gibt es auch in nass und matschig biologischer Systeme.

In den letzten Jahren hat diese Hypothese immer mehr Unterstützung, eine neue Studie in der Fachzeitschrift Science detailliert darauf hindeutet Pflanzen solche Physik zu überleben vertrauen darf. [Die 9 größten ungelösten Rätsel der Physik]

Der effizienteste Weg

Pflanzen sind in der Lage, mehr als 95 Prozent des Sonnenlichts zu ernten, die sie tanken sofort konvertieren diese Sonnenenergie in chemische Energie in 1 Million Milliardstel einer Sekunde in einem Prozess namens Photosynthese.

Die neue Wissenschaft Studie über Purpurbakterien, die auch Photosynthese, gibt mehr Unterstützung für die Idee, dass Pflanzen Quantenmechanik nutzen, um diese nahezu perfekte Effizienz zu erreichen. Ein Trick der Quantenphysik genannt Kohärenz, die Forscher vermuten, die Energie der Elementarteilchen des Lichts hilft, Photonen genannt, finden den effizientesten Weg, eine Pflanze (oder lila Bakterium) so genannte Reaktion Mitte, wo das Licht Energie treibt die Reaktion, die Kohlenhydrate produziert.

Auf einem physischen System könnte Kohärenz mit ein paar Pendel verdeutlicht werden, die kontinuierlich von einem zum anderen, rückwärts und vorwärts, in einem kohärenten, zyklischen Modus Energietransfer.

Wenn ein Photon Moleküle innerhalb einer Zelle regt, die Energie wird durch das System nicht hüpfen, sondern folgt verschiedenen Energiebahnen auf einmal, gleichzeitig auf der Suche nach der effizientesten in der Reaktion Mitte, wo eigentlich die chemische Reaktion stattfindet.

Dieses bekannt als der Quantum-Prinzip der Überlagerung oder des Seins an vielen verschiedenen Orten zur gleichen Zeit.

Quanteneffekte in der Natur

Kohärenz der Verdacht und experimentierte mit in lebenden Systemen vor, wann die Forscher extrem kurzen, aber intensiven Laserpulse auf mehrere Moleküle eines photosynthetische Organismus ausgelöst wurde – ein lila Bakterium namens Rhodopseudomonas Acidophila , die die genauen gleichen Prinzipien des Lichts, um zu überleben, wie Pflanzen ernten gilt – und verfolgt den Fluss der Energie durch das System. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Die neueste Forschungsergebnisse, unter der Leitung von Niek van Hulst des Institut für photonische Wissenschaften in Castelldefels, Spanien, ging einen Schritt weiter.

"Frühere Studien haben Experimente wo hatten sie Millionen von Molekülen in der gleichen Lautstärke, die sie messen wurden," Co-Autor der neuen Studie, Richard Cogdell von der University of Glasgow, sagte LiveScience.

"Die Quanten-Effekte zu sehen, aber sie waren eher schwach. "Und wir wussten nie, sei es weil sie schwach sind oder weil jedes einzelne Moleküle leicht phasenverschoben miteinander so war sie in einer Weise, dass Sie nicht, die Zusammenhänge von Quantenverhalten sehen gestört."

Für die neuen Tests die Wissenschaftler verwendeten Purpurbakterien erneut, aber diesmal Laserblitze auf ein einzelnes Molekül anstatt viele Moleküle gleichzeitig geschossen.

Die Lichtsammelkomplexe der Bakterien sind in einem Muster von angrenzenden Ringen oder Moleküle, aus denen sich ein Licht-ernten komplexe angeordnet. Im Organismus die Ringe zusammen packen, aber die Forscher isoliert einzelne Ringe und legte sie außerhalb des Bakteriums auf eine Oberfläche. Kommt ein Photon in Kontakt mit einem isolierten Ring, wird ein Teil davon als Fluoreszenz emittiert – eine Form der natürlichen Lumineszenz – das ist im Wesentlichen die spontane Übertragung von Energie von einer hochenergetischen Ebene zu einem niedrigeren Energieniveau.

Die Forscher festgestellt, dass die Höhe der Fluoreszenz nicht konstant bleiben: es hielt steigen und fallen, "oszillierend zwischen den hohen Stand und ein low-Zustand, die diese kohärente Schwingung ist," sagte Cogdell.

Oszillation schlägt das Licht des Lasers konnte die effizienteste Energiepfad zur Reaktion Mitte fast augenblicklich zu finden – trotz der sehr variablen Bedingungen eines biologischen Systems.

"Diese Art der Zusammenhänge sind in physikalischer Systeme gesehen worden, vor, aber nur bei sehr niedrigen Temperaturen und klar definierten und kontrollierten Bedingungen," sagte Cogdell. "Die Überraschung ist, dass Sie diese Effekte in nassen, chaotisch biologischen Systemen bei Raumtemperatur sehen können. "Das ist die bemerkenswerte Feststellung, dass Sie es in der Biologie finden."

Greg Engel, ein Professor für Chemie an der University of Chicago, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte LiveScience, das aufregendste Element der Forschung "des Vorhangs zurückziehen war" und lernen wie photosynthetische Energie übertragen wirklich funktioniert. "Die Autoren weisen uns auf neue Design-Prinzipien für die Steuerung des Energieflusses durch molekulare Systeme", so Engel.

Sobald klar ist, welche Faktoren beeinflussen die Häufigkeit der Kohärenz und ob es möglich ist, es zu variieren, die Erkenntnisse könnten zur Effizienzsteigerung des Licht-ernten-Prozesses führen, sagte Cogdell.

Und dass Erfolg wesentlich effizienter Solarzellen zur Stromerzeugung mit Hilfe von künstlicher Photosynthese imitiert den besonders effizienten Prozess möglicherweise passiert in jedem einzelnen marktreif zu könnte Ausschreibung grünes Blatt.

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