Fotosinteza si transferul eficient de energie

Simularile numerice au descoperit ca excitonii pot deveni un BEC – condensat Bose Einstein – si acest mecanism ar explica eficienta ridicata a transportului de energie in fotosinteza plantelor.

Mecanismul exciton-condens ar putea fi valorificat pentru a imbunatati transferul de energie in sistemele sintetice.

Fotosinteza este un proces biologic extrem de eficient la plante, alge si unele tipuri de bacterii, care utilizeaza energia luminii si dioxidul de carbon (CO2) pentru a produce oxigen (O2) si energie chimica stocata in glucoza.

Simularile numerice arata ca un condensat Bose Einstein poate fi cheia pentru o astfel de eficienta ridicata, iar acest fenomen provoaca ceea ce fizica moderna defineste ca fiind posibil cu privire la mecanismele fundamentale din sistemele biologice.

Si asta, deoarece este implicat un proces cuantic care nu este de asteptat sa aiba loc la temperatura camerei si in conditii dezordonate (zgomotoase) care pot degrada orice comportament cuantic.

BEC, fermioni si bosoni

Condensatele Bose Einstein (BEC) sunt considerate o a cincea stare a materiei; acestea sunt stari foarte exotice ale materiei care se formeaza de obicei atunci cand o colectie de atomi sau particule subatomice separate la densitati foarte mici este racita la temperaturi foarte apropiate de zero absolut (-273,15 ° C), conditie in care o mare parte a acestor entitati ocupa cea mai joasa stare cuantica simultan.

Procedand astfel, functiile lor de unda se suprapun si se comporta macroscopic ca o singura entitate. Este ca si cum au devenit un singur atom; toate au aceeasi stare cuantica si se comporta ca o singura entitate.

Inseamna ca aceste particule initial distincte – numite si fermioni – care se supun principiului de excludere a lui Pauli (adica au tendinta de a se respinge unele pe altele si, prin urmare, nu pot ocupa aceeasi stare cuantica) devin imposibil de distins atunci cand ocupa toate aceeasi stare cuantica, comportandu-se apoi ca bosoni in loc de fermioni.

Diferenta dintre fermioni si bosoni se bazeaza pe rotatia lor, particulele bosonice (cum ar fi fotonii) au o rotatie intreaga (0,1,2,…), in timp ce fermionii au o rotatie fractionata (1/2, 3/2 ..).

Particulele bosonice se pot suprapune, deoarece nu se resping unele pe altele. Ele pot ocupa aceeasi stare cuantica si, facand acest lucru, devin imposibil de deosebit unele de altele.

BEC-urile prezinta o caracteristica foarte speciala: frecare zero, iar aceasta din urma se refera la doua fenomene remarcabile: superfluiditatea (care implica vascozitate zero) si supraconductivitatea (care implica rezistenta electrica zero in transferul de sarcina).

Un superfluid poate, de exemplu, sa urce pe peretii unui recipient, in timp ce un supraconductor poate transfera energie electrica fara nicio pierdere de energie sub forma de caldura termica.

Dupa cum stim, biologia este compusa din forme vii la temperatura camerei. In astfel de conditii, oamenii de stiinta nu s-ar astepta la supraconductivitate sau superfluiditate in astfel de sisteme biologice, deoarece particulele fundamentale care compun biomasa -atomi/ particule subatomice precum electroni si protoni – sunt fermioni in conditii ambientale.

Ce se intampla de fapt in procesul de fotosinteza

Cercetarea efectuata de Anna O. Schouten et al. arata ca natura are modalitati inteligente de a ocoli astfel de limitari.

In acest caz, prin imperecherea sau interconectarea a doua particule subatomice implicate in fotosinteza – electronii si golurile – se creeaza o cvasiparticula numita exciton cu rotatie neta zero (adica un boson) din cele doua particule initial fermionice.

Acest lucru se intampla deoarece electronii si golurile (locuri libere care indica lipsa de electroni in locurile in care se aflau inainte de excitatie prin absorbtia luminii si care actioneaza ca sarcini pozitive) au rotatii opuse, astfel incat atunci cand se combina, excitonul rezultat are rotatie zero.

Echipa de cercetare a descoperit ca acesti excitoni pot deveni un BEC la temperatura camerei.

Ca si alte fenomene de condensare, condensarea excitonilor duce la superfluiditatea acestora si deoarece excitonii transporta energie mai degraba decat sarcina sau masa, acest transfer de energie este superfluid sau fara frecare.

Acesta este motivul pentru care transferul de energie in fotosinteza este atat de eficient.

Complexele de captare a luminii implicate in fotosinteza transfera energie sub forma de excitoni creati prin foto-excitarea unui electron de catre lumina soarelui.

Un electron absoarbe un foton din lumina si se excita intr-o stare cuantica diferita, lasand un gol in acea locatie anterioara, care acum este interconectata cu electronul original.

Rolul cromoforilor in fotosinteza

Aceste perechi interconectate sau excitoni sunt transportati printr-o serie de regiuni sensibile la lumina de catre molecule – numite cromofori – care actioneaza ca fire moleculare pentru a transporta aceasta energie catre un centru de reactie unde aceasta energie este colectata pentru diverse functii biologice, cum ar fi productia de zahar.

Un cromofor este partea unei molecule care este responsabila pentru culoarea acesteia.

Utilizand un model teoretic care introduce in mod explicit corelatii puternice de electroni sub forma de cuplare intra-cromofor, autorii acestei cercetari exploreaza transferul de energie si condensarea excitonilor in sistemele biologice microscopice in conditii ambientale.

Ei extind modelul obisnuit cu un singur sit folosit pentru complexul cromofor si care poate adresa doar cuplari intercromofore, la un model cu mai multe situsuri de electroni pe fiecare cromofor, ceea ce permite cuplari intra-cromofor si creeaza canale suplimentare pentru transferul de excitoni, unde cuplarea dintre locurile de pe cromofori poate fi reglata folosind un parametru de cuplare.

In functie de cantitatea de cuplare, cercetatorii descopera ca un astfel de parametru regleaza interferenta cuantica fie la un caz mai constructiv, fie la un caz mai destructiv, ceea ce, la randul sau, imbunatateste sau, respectiv, scade rata transferului de excitoni.

Ei arata efectul pe care natura starii initiale de excitatie – interconectata sau locala – si numarul de situsuri pe cromofor il are asupra ratei de transport a excitonilor. Cresterea numarului de situsuri pe cromofor imbunatateste transferul de excitoni.

Autorii constata, de asemenea, ca prin acest amestec de inter- si intra-cuplari, modelul prezinta o semnatura pentru condensarea excitonilor in varietatea cu o singura excitare care evolueaza odata cu dinamica transportului excitonului.

Semnatura rezulta dintr-o combinatie de interconectare a excitonilor inter si intra-cromofor si depinde de starea de excitatie initiala si de numarul de situsuri per cromofor.

Fotosinteza dezvaluie comportamente colective extrem de coerente

Aceste rezultate remarcabile legate de fotosinteza demonstreaza o legatura intre transferul imbunatatit de excitoni si mecanismul asemanator condensarii excitonului, aratand ca aceasta corelare a electronilor si interconectarea in cromofori cresc semnificativ eficienta transferului de energie prin crearea de cai sau canale suplimentare pentru transfer.

Acest lucru sugereaza, de asemenea, misterul modului in care sistemele biologice pot functiona atat de eficient in conditii ambientale.

Procesele neg-entropice (adica, de ordonare) care au loc in medii aparent extrem de entropice, au sfidat intotdeauna intelegerea noastra asupra naturii si este unul dintre principalele mistere ale stiintei.

Atunci ne intrebam daca ceea ce consideram o stare zgomotoasa sau un mediu dezordonat este o neintelegere, avand in vedere cunostintele noastre limitate despre modul in care sistemele biologice proceseaza informatia/energia pentru a se auto-organiza in structuri atat de ordonate si extrem de complexe.

Lucrarea lui Schouten et al. arata, de asemenea, ca aceste comportamente colective si extrem de coerente care, in general, sunt considerate fenomene exotice rare chiar si la temperatura foarte scazuta -cum ar fi interconectarea cuantica si BEC-urile, se intampla in realitate in mod regulat in sistemele biologice, prin mecanisme pe care suntem inca departe de a le intelege din punctul de vedere al fizicii moderne.

Din perspectiva Fizicii Unificate, bazata pe modelul plasmatic Planck al lui Nassim Haramein si pe teoria holografica generalizata, interconectarea este nu numai posibila, ci este asediul organizarii materiei in univers, deoarece plasma Planck este o retea de interconectare prin care informatia circula pe scara. Sectiunile in care acest flux este ecranat stabilesc conditii la limita pe care le numim protoni, electroni etc.

Reteaua de gauri de vierme coordoneaza organizarea materiei in univers, de la molecule, celule si organisme pana la sisteme solare, galaxii si super-clustere.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: resonancescience.org, britannica.com, sciencedirect.com.

Foto: Anna O. Schouten et al.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.