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Physiker sehen Quanteneffekte in der Photosynthese

Anonim

Wir alle haben wahrscheinlich über Photosynthese gelernt, wie Pflanzen in der Schule Sonnenlicht in Energie umwandeln. Es könnte daher den Anschein haben, dass wir diesen Teil der Welt herausgefunden haben. Aber die Wissenschaftler lernen immer noch Neues über die einfachsten Dinge (siehe auch Sonne und Mond), und die Photosynthese ist nicht anders.

Laut einer am Montag veröffentlichten Studie in Nature Chemistry hat ein internationales Wissenschaftlerteam gezeigt, dass an der Photosynthese beteiligte Moleküle quantenmechanisches Verhalten zeigen. Obwohl wir so viel vermutet hatten, haben wir diesmal zum ersten Mal Quanteneffekte in lebenden Systemen gesehen. Es hilft uns nicht nur, Pflanzen, Sonnenlicht und alles dazwischen besser zu verstehen, sondern kann auch in Zukunft coole neue Technologien bedeuten.

Das Quantum Conundrum

Lassen Sie uns zuerst sichern. Während Photosynthese in Klassenzimmern auf der ganzen Welt gelehrt werden kann, ist die Quantenmechanik etwas weniger beliebt, zum Teil weil sie so komisch ist. Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Quantenphysiker Richard Feynman sagte einmal: „Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand Quantenmechanik versteht.“ Es ist für Nicht-Experten so undurchdringlich, dass die gleichen Metaphern auftauchen, wenn jemand versucht, es zu erklären.

Sie haben vielleicht von Schrödingers Katze gehört, die dank Quantenverrücktheit gleichzeitig lebendig und tot ist - vor allem, weil sich Elektronen gleichzeitig in zwei Zuständen befinden können. Nur wenn wir das System beobachten, bricht die Komik zusammen und die Realität wählt einen Zustand aus: Die Katze ist tatsächlich lebendig (oder tot), das Elektron ist tatsächlich an diesem Ende des Raumes (oder diesem Ende) ).

Quanteneffekte sind jedoch typischerweise auf die sehr kleinen beschränkt und nur unter perfekten Laborbedingungen wirklich zu beobachten. Ein lebendes Wesen mit seinen feuchten, unordentlichen Systemen wäre ein schwieriger Ort, um Quantenverrücktheiten zu finden, die lauern - und doch haben wir es.

Molekularer Wahnsinn

Die Wissenschaftler untersuchten den Fenna-Matthews-Olson (FMO) -Komplex, einen Schlüsselbestandteil der Maschinen für grüne Schwefelbakterien für die Photosynthese. Es war ein historischer Favorit für solche Forschungen, weil wir dessen Struktur schon lange kennen und es ziemlich einfach ist, damit zu arbeiten.

Bisherige Experimente schienen lichtempfindliche Moleküle in diesem Bereich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen aufzuweisen - das ist die Quantenverrücktheit -, aber der Effekt hielt mehr als eine Pikosekunde an, was viel länger als erwartet ist. Diese neue Studie zeigt, dass es sich tatsächlich nur um regelmäßige Schwingungen in den Molekülen handelte, nichts Quantum.

Die Forscher waren jedoch seit Jahren auf die Möglichkeiten der Quantenbiologie gespannt. Nachdem sie die früheren Experimente widerlegt hatten, wollten sie einige neue Beweise dafür finden. „Wir haben uns gefragt, ob wir die Situation der Schrödinger-Katze vielleicht beobachten können“, sagt der Koautor Thomas la Cour Jansen in einer Pressemitteilung.

Und beobachte es! Mit einer Technik, die als zweidimensionale elektronische Spektroskopie bezeichnet wird, sahen die Forscher Moleküle in gleichzeitig angeregten Zuständen - Quantenverrücktheit, die an eine lebende Katze erinnert und gleichzeitig tot ist. Darüber hinaus hielt der Effekt genau so lange an, wie die Theorien es vorausgesagt hatten, was darauf hindeutet, dass dieser Beweis der Quantenbiologie andauern wird. Die Autoren formulieren es kurz und bündig: „Somit liefern unsere Messungen eine eindeutige experimentelle Beobachtung der vibronischen Kohärenz des angeregten Zustands im FMO-Komplex.“ Was könnte einfacher sein?

Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber (haha), wie Energie aus Licht gewonnen werden kann, und das Team hält es für "allgemein anwendbar" auf eine Vielzahl von Systemen, sowohl für lebende als auch für nicht lebende Menschen. Dies bedeutet, dass dies zu technischen Vorteilen führen kann, z. B. bessere Sonnenkollektoren, Energiespeicher oder sogar Quantencomputer. Und natürlich aktualisierte Lehrbücher für die Lektionen von morgen zur Photosynthese.

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