Cómo las plantas pueden realizar proezas de la mecánica cuántica

Es primavera ahora en el hemisferio norte, y el mundo que nos rodea es verde. Fuera de mi ventana, los árboles están llenos de hojas que actúan como plantas en miniatura, recolectando la luz del sol y convirtiéndola en alimento. Sabemos que se lleva a cabo esta transacción básica, pero ¿cómo ocurre realmente la fotosíntesis?

Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan procesos mecánicos cuánticos. En un esfuerzo por entender cómo las plantas hacen esto, Científicos de la Universidad de Chicago Recientemente modeló cómo funcionan las hojas a nivel molecular. Quedaron asombrados por lo que vieron. Resulta que las plantas se comportan como un extraño quinto estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. Aún más extraño, estos condensados ​​generalmente se encuentran a temperaturas cercanas al cero absoluto. El hecho de que estén a nuestro alrededor en un día normal y templado de primavera es una verdadera sorpresa.

países de baja energía

Los tres estados más comunes de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Cuando se agrega o elimina presión o calor, la materia puede pasar de un estado a otro. A menudo escuchamos que el plasma es el cuarto estado de la materia. En el plasma, los átomos se disuelven en una sopa de iones cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Esto suele suceder cuando el material se calienta demasiado. El Sol, por ejemplo, es principalmente una gran bola de plasma sobrecalentado.

Si la materia puede estar muy caliente, también puede sobreenfriarse, lo que hace que las partículas caigan en estados de muy baja energía. Comprender lo que sucede a continuación requiere cierto conocimiento de la física de partículas.

Hay dos tipos principales de partículas, bosones y fermiones, y lo que los distingue es una propiedad llamada espín, una propiedad curiosamente mecánica relacionada con el momento angular de una partícula. Los bosones son partículas con giros enteros (0, 1, 2, etc.), mientras que los fermiones tienen giros semienteros (1/2, 3/2, etc.). Esta propiedad ha sido descrita antes. Teoría de las estadísticas de espín, lo que significa que si intercambia dos bosones, mantendrá la misma función de onda. No puedes hacer lo mismo con los fermiones.

en Condensador Bose-Einstein, los bosones dentro de una sustancia tienen una energía tan baja que todos ocupan el mismo estado, actuando como una sola partícula. Esto permite ver las propiedades cuánticas a escala macroscópica. a Condensador Bose-Einstein Fue creado en un laboratorio por primera vez en 1995, a una temperatura de no más de 170 nanokelvins.

Fotosíntesis cuantitativa

Ahora, echemos un vistazo a lo que sucede en una hoja típica durante la fotosíntesis.

Las plantas necesitan tres ingredientes básicos para fabricar su propio alimento: dióxido de carbono, agua y luz. Un pigmento llamado clorofila Absorbe energía de la luz en longitudes de onda rojas y azules.. Refleja la luz en otras longitudes de onda, lo que hace que la planta parezca verde.

A nivel molecular, las cosas se ponen mucho más interesantes. La luz absorbida excita un electrón dentro del cromóforo, que es una parte de la molécula que determina su reflectancia o absorción de luz. Esto inicia una serie de reacciones en cadena que terminan produciendo azúcares para la planta. Mediante el uso de modelos informáticos, los investigadores de la Universidad de Chicago examinaron lo que sucedía en las bacterias verdes del azufre, un microbio fotosintético.

La luz excita un electrón. Ahora el electrón y el espacio vacío que dejó atrás, llamado hueco, trabajan juntos como un bosón. Este par electrón-hueco se llama excitón. El excitón viaja para entregar energía a otros lugares, donde se crean azúcares para el organismo.

«Los cromóforos pueden transferir energía entre ellos en forma de excitones a un centro de interacción donde se puede usar la energía, como un grupo de personas que pasan una pelota a un objetivo», explicó a Big Think Anna Scottin, autora principal del estudio. .

Los científicos han descubierto que las rutas de los excitones dentro de las regiones localizadas son similares a las que se ven dentro de un condensador de excitones, un condensado de Bose-Einstein hecho de excitones. El desafío con los capacitores de excitón es que los electrones y los iones tienden a recombinarse rápidamente. Una vez que esto sucede, el excitón desaparece, a menudo antes de que se pueda formar un capacitor.

Es muy difícil crear estos condensados ​​en el laboratorio, pero estaban aquí, justo frente a los ojos de los científicos, en un organismo caótico a temperatura ambiente. A través de la formación condensada, los excitones formaron un solo estado cuántico. En esencia, actuaron como una sola partícula. Esto forma un superfluido, un fluido sin viscosidad y sin fricción, que permite que la energía fluya libremente entre los cromóforos.

Sus resultados han sido publicados en Energía PRX.

condiciones caóticas

Los excitones generalmente se descomponen rápidamente y, cuando lo hacen, ya no pueden transferir energía. Para darles una vida más larga, por lo general necesitan mantenerse muy fríos. De hecho, nunca antes se habían visto condensadores de excitón. por encima de temperaturas de 100 K, que es un tibio menos 173 grados centígrados. Por eso es tan sorprendente ver este comportamiento en un sistema verdaderamente caótico a temperaturas normales.

Entonces, ¿qué está pasando aquí? Solo otra forma en que la naturaleza nos sorprende constantemente.

“La fotosíntesis funciona a temperaturas normales porque la naturaleza tiene que trabajar a temperaturas normales para sobrevivir, por lo que el proceso evolucionó para hacer eso”, dice Schotten.

En el futuro, los condensados ​​de Bose-Einstein a temperatura ambiente pueden tener aplicaciones prácticas. Debido a que actúan como un solo átomo, los condensados ​​de Bose-Einstein pueden darnos una idea de las propiedades cuánticas que son difíciles de observar a nivel atómico. También tienen aplicaciones para giroscopiosY láser de maízY Sensores de tiempo, gravedad o magnéticos de alta precisiónY Mayores niveles de eficiencia energética y transmisión.