Cómo las plantas pueden realizar proezas de la mecánica cuántica

Ahora es primavera en el hemisferio norte y el mundo se ha vuelto verde a nuestro alrededor. Los árboles fuera de mi ventana están llenos de hojas que actúan como fábricas en miniatura, recolectando la luz del sol y convirtiéndola en comida. Sabemos que se lleva a cabo esta transacción básica, pero ¿cómo ocurre realmente la fotosíntesis?

Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan procesos mecánicos cuánticos. Tratando de entender cómo las plantas hacen esto, Científicos de la Universidad de Chicago función de la hoja modelada recientemente 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 nos rodeen en un día normal y templado de primavera es una auténtica sorpresa.

Estados 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 moverse entre estos estados. A menudo escuchamos que el plasma es el cuarto estado de la materia. En un plasma, los átomos se dividen en una sopa de iones cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Esto suele suceder cuando el material se sobrecalienta. El Sol, por ejemplo, es básicamente una gran bola de plasma súper caliente.

Si la materia se puede sobrecalentar, también se puede sobreenfriar, llevando las partículas a un estado 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 extraña propiedad mecánica cuántica que se refiere al momento angular de una partícula. Los bosones son partículas con espín entero (0, 1, 2, etc.), mientras que los fermiones tienen espín semientero (1/2, 3/2, etc.). Esta propiedad se describe teorema de la estadística de espín, y eso significa que si intercambias dos bosones, mantendrás la misma función de onda. No puedes hacer lo mismo con los fermiones.

En Condensado de Bose-Einstein, los bosones dentro de la materia 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 Condensado de Bose-Einstein Creado por primera vez en el laboratorio en 1995, a solo 170 nanokelvins.

fotosíntesis cuántica

Ahora veamos lo que sucede durante la fotosíntesis en una hoja típica.

Las plantas necesitan tres ingredientes básicos para fabricar su propio alimento: dióxido de carbono, agua y luz. Un pigmento llamado clorofila absorbe la 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 más interesantes. La luz absorbida excita un electrón en el cromóforo, la parte de la molécula que determina la reflexión o absorción de la luz. Esto inicia una serie de reacciones en cadena que terminan produciendo azúcares para la planta. Usando simulaciones por computadora, investigadores de la Universidad de Chicago estudiaron lo que sucede en las bacterias verdes del azufre, microbios fotosintéticos.

La luz excita al electrón. Ahora el electrón y el espacio vacío que deja atrás, llamado hueco, actúan juntos como un bosón. Este par electrón-hueco se llama excitón. El excitón viaja a otro sitio para suministrar energía, donde se fabrican los azúcares para el cuerpo.

«Los cromóforos… pueden transferir energía entre ellos en forma de excitones al centro de reacción, donde se puede usar la energía, como un grupo de personas que pasan una pelota a una portería», explicó la líder del estudio, Anna Schutten, a Big Think. .

Los científicos han descubierto que las rutas de los excitones en áreas localizadas son similares a las rutas formadas por excitones en un condensado de excitones, un condensado de Bose-Einstein. El problema con los condensados ​​excitónicos es que los electrones y los iones tienden a recombinarse rápidamente. Cuando esto sucede, el excitón desaparece, a menudo antes de que se forme el condensado.

Estos condensados ​​son notoriamente difíciles de crear en el laboratorio, pero aquí estaban frente a los científicos en un desordenado organismo a temperatura ambiente. Formando un condensado, los excitones formaron un único estado cuántico. Esencialmente, funcionaban como una sola unidad. Esto forma un superfluido con cero viscosidad y cero fricción, lo que permite que la energía fluya libremente entre los cromóforos.

Sus resultados han sido publicados Energía PRX.

condiciones desordenadas

Los excitones generalmente se descomponen rápidamente y, cuando se descomponen, ya no pueden transferir energía. Para darles una vida más larga, por lo general necesitan mantenerse muy fríos. De hecho, nunca se han visto condensados ​​de excitones Temperaturas superiores a 100 Kelvin, que es un gélido negativo de 173 grados centígrados. Por eso es tan sorprendente ver este comportamiento en temperaturas normales y desordenadas del mundo real.

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

«La fotosíntesis funciona a temperaturas normales porque la naturaleza necesita trabajar a temperaturas normales para sobrevivir, por lo que el proceso evolucionó para eso», dice Schutten.

En el futuro, los condensadores Bose-Einstein a temperatura ambiente pueden tener aplicaciones prácticas. Debido a que actúan como átomos individuales, los condensados ​​de Bose-Einstein pueden darnos una idea de las propiedades cuánticas que serían difíciles de observar a nivel atómico. También tienen aplicaciones giroscopios, láseres atómicos, sensores de tiempo, gravedad o magnetismo de alta precisióny: un mayor nivel de eficiencia energética y transmisión.