植物はどのようにして量子力学の偉業を達成できるのか

北半球は今春で、私たちの周りの世界は緑です。 窓の外の木々は、植物のミニチュアのような葉でいっぱいで、太陽光を集めて食べ物に変えています。 この基本的な取引が行われることはわかっていますが、光合成は実際にどのように起こるのでしょうか?

光合成中に、植物は量子力学的プロセスを使用します。 植物がどのようにしてこれを行うのかを理解するために、 シカゴ大学の科学者 彼は最近、葉がどのように機能するかを分子レベルでモデル化しました。 彼らは見たものに驚いた。 植物は、ボース・アインシュタイン凝縮として知られる奇妙な第 5 の物質状態のように振る舞うことが判明しました。 さらに奇妙なことに、これらの凝縮物は通常、絶対零度に近い温度で発生します。 普通の穏やかな春の日に彼らが私たちの周りにいるという事実は、本当に驚きです。

エネルギーの低い国

物質の最も一般的な 3 つの状態は、固体、液体、気体です。 圧力または熱が加えられるか除去されると、物質はこれらの状態の間で遷移する可能性があります。 プラズマは物質の 4 番目の状態であるとよく聞きます。 プラズマでは、原子は正に帯電したイオンと負に帯電した電子のスープに溶解します。 これは通常、材料が熱くなりすぎるときに発生します。 たとえば、太陽の大部分は過熱したプラズマの大きな球です。

物質が非常に高温になる可能性がある場合、過冷却される可能性があり、粒子が非常に低いエネルギー状態に陥ることがあります。 次に何が起こるかを理解するには、素粒子物理学の知識が必要です。

粒子には主にボソンとフェルミ粒子の 2 種類があり、これらを区別するのはスピンと呼ばれる特性です。これは粒子の角運動量に関連する奇妙な機械的特性です。 ボソンは整数スピン (0、1、2 など) を持つ粒子ですが、フェルミオンは半整数スピン (1/2、3/2 など) を持ちます。 このプロパティは以前に説明しました スピン統計理論これは、2 つのボソンを交換しても、同じ波動関数が維持されることを意味します。 フェルミオンでは同じことはできません。

の ボーズ・アインシュタインコンデンサー、物質内のボソンは非常に低いエネルギーを持っているため、すべてが同じ状態を占め、単一の粒子として機能します。 これにより、量子特性を巨視的スケールで観察できるようになります。 ある ボーズ・アインシュタインコンデンサー 1995 年に初めて実験室で 170 ナノケルビン以下の温度で作成されました。

定量的光合成

ここで、光合成中に典型的な葉で何が起こっているのかを見てみましょう。

植物が自らの食物を作るには、二酸化炭素、水、光という 3 つの基本的な材料が必要です。 クロロフィルと呼ばれる色素 赤と青の波長の光からエネルギーを吸収します。 他の波長の光を反射するため、植物が緑色に見えます。

分子レベルで見ると、事態はさらに興味深いものになります。 吸収された光は、光の反射率または吸収を決定する分子の一部である発色団内の電子を励起します。 これにより一連の連鎖反応が始まり、最終的に植物のために糖を生成します。 シカゴ大学の研究者らは、コンピューターモデリングを使用して、光合成微生物である緑色硫黄細菌で何が起こっているのかを調べた。

光は電子を励起します。 現在、電子と電子が残したホールと呼ばれる空の空間は、ボソンとして一緒に働きます。 この電子と正孔の対は励起子と呼ばれます。 励起子は移動してどこかにエネルギーを届け、そこで生物のために糖が生成されます。

「発色団は、励起子の形で発色団の間でエネルギーを相互作用センターに移動させることができ、そこでエネルギーを利用することができます。これは、人々のグループがターゲットにボールをパスするのと同じです」と、この研究の筆頭著者であるアンナ・スコッティン氏はビッグシンクに説明した。 。

科学者らは、局所領域内の励起子の経路が、励起子凝縮器（励起子からなるボース・アインシュタイン凝縮）の内部で見られるものと類似していることを発見した。 励起子キャパシタの課題は、電子とイオンがすぐに再結合する傾向があることです。 これが起こると、多くの場合、コンデンサが形成される前に、励起子は消滅します。

これらの凝縮物を実験室で生成するのは非常に困難ですが、それらはここ、科学者の目の前、室温の混沌とし​​た生物の中にありました。 凝縮形成により、励起子は単一量子状態を形成しました。 本質的に、それらは単一の粒子のように機能しました。 これにより、超流動体（粘性も摩擦もない流体）が形成され、発色団間をエネルギーが自由に流れることができます。

彼らの結果は、 PRXエネルギー。

混沌とした状況

通常、励起子はすぐに崩壊し、崩壊するとエネルギーを伝達できなくなります。 寿命を延ばすためには、通常、非常に低温に保つ必要があります。 実際、励起子コンデンサはこれまでに見たことがありません 100Kを超える温度、それは摂氏マイナス173度のぬるま湯です。 これが、常温の真にカオスな系でこのような挙動が観察されることが非常に驚くべき理由です。

それで、ここで何が起こっているのでしょうか？ 自然が常に私たちを驚かせるもう一つの方法です。

「光合成は常温でも機能します。自然が生き残るためには常温で機能する必要があるため、プロセスはそのように進化したのです」とショッテン氏は言う。

将来的には、室温のボース・アインシュタイン凝縮が実用化される可能性があります。 ボース・アインシュタイン凝縮は単一の原子のように機能するため、原子レベルで観察するのが難しい量子特性についての洞察を与えてくれる可能性があります。 のためのアプリもあります ジャイロと コーンレーザーと 高精度の時間、重力、磁気センサー、 と より高いレベルのエネルギー効率と伝送。