يستخدم التمثيل الضوئي عملية قريبة بشكل مدهش من مكثف بوز-آينشتاين

قد تعتقد أنه بالنظر إلى مدى انتشار عملية التمثيل الضوئي الأساسية في كل مكان ، فقد اكتشفنا منذ فترة طويلة كيفية عملها. بدلاً من ذلك ، تظل الأجزاء الرئيسية من العملية لغزا. يقترح بحث جديد أن إحدى هذه المراحل لها أوجه تشابه كبيرة مع مكثفات الإكسيتون ، وهو أمر كان على علماء الفيزياء بذل جهود كبيرة لإنتاجه في المختبر.

يرأس البروفيسور ديفيد مازيوتي من جامعة شيكاغو مختبرًا يستخدم النمذجة الحاسوبية لمحاولة فهم الطريقة التي تتفاعل بها الذرات والجزيئات في العمليات الكيميائية المهمة. قليل من هذه التفاعلات هي حيوية وشائعة مثل التمثيل الضوئي ، حيث تستخدم النباتات والطحالب الطاقة من ضوء الشمس لصنع السكريات والنشويات.

تبدأ العملية عن طريق ضرب الفوتونات للإلكترونات السائبة في الأوراق ، مما يسمح لكل من الإلكترون و “الفتحة” حيث كانت الشحنة أن تتحرك خلال الكروموفيل (جزيء الكلوروفيل) ، حاملاً الطاقة الشمسية. على الرغم من أن هذا معروف منذ فترة طويلة ، إلا أن Mazziotti وزملاؤه أفادوا أن مجموعات الإلكترونات والثقوب والثقوب لا تتحرك دائمًا مثل الأفراد.

يُعرف الإلكترون وثقبه معًا باسم الإكسيتون ، وعند النظر إلى الإلكترون معًا يكون لهما خصائص كمية مختلفة عن كل منهما بمفرده. الإكسيتون هو بوزون ، على سبيل المثال ، في حين أن الإلكترون والثقب هما كل من الفرميونات. من خلال نمذجة سلوك العديد من الإكسيتونات ، بدلاً من كل منها على حدة ، أدرك الباحثون مدى تشابه سلوكهم مع مكثف بوز-آينشتاين ، والذي يُعرف أحيانًا باسم “الحالة الخامسة للمادة” بعد المواد الصلبة والسائلة والغازية والبلازما التقليدية.

تسمح مكثفات بوز-آينشتاين لمجموعات كبيرة من الذرات بعرض هذا النوع من السلوك الكمومي المثير للانحناء للعقل والذي لا يُرى عادةً إلا على المستوى دون الذري. لا يمكنهم الاستغناء عن الظواهر العالمية مثل الاحتكاك فحسب ، بل يمكنهم أيضًا الانخراط في أنشطة كمومية غريبة مثل الجمع بين سلوك الموجة والجسيمات.

لجعل مكثفات بوز-آينشتاين ، يحتاج العلماء إلى تبريد المواد المرتبة إلى درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق ، لكن النباتات تفعل شيئًا مشابهًا خارج نافذتك الآن (إذا كان ضوء النهار). قالت آنا سكوتين ، طالبة الدراسات العليا الأولى في الدراسة: “يتم حصاد الضوء الضوئي في نظام في درجة حرارة الغرفة وما هو أكثر من ذلك ، هيكله غير منظم – على عكس المواد المتبلورة الأصلية ودرجات الحرارة الباردة التي تستخدمها لصنع مكثفات الإكسايتون”. أ إفادة.

لم يتم الاكتشاف في وقت سابق ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الإكسيتونات النباتية قصيرة العمر ، وعادة ما يتم إعادة توحيدها بسرعة. بالإضافة إلى درجات الحرارة المنخفضة ، يمكن أن يتأخر إعادة تركيب الإكسيتون مع الحقول المغناطيسية القوية ، ولكن بالطبع ، النباتات لا تمتلك هذه أيضًا.

“بقدر ما نعرف [photosynthesis and exciton condensates] لم يتم الاتصال من قبل ، لذلك وجدنا هذا مقنعًا ومثيرًا للغاية ، “قال Mazziotti.

وربما يكون الأمر الأكثر غرابة هو أن الإكسيتونات التي تحمل لون الكروموفور لا تصبح شبيهة بالمكثفات معًا. وبدلاً من ذلك ، فإن البقع التي يسميها المؤلفون شكل “الجزر”. ومع ذلك ، فإن هذه الجزر ليست فضولًا غير ذي صلة.

مجموعة مورقة من الاكسيتونات. تشير الورقة البحثية إلى أنه “قد تفتقر إلى بعض الخصائص المرتبطة بتكثيف الإكسيتون العياني” ، ولكن “من المرجح أن تحتفظ بالعديد من المزايا ، بما في ذلك النقل الفعال للطاقة”. إذا كان الأمر كذلك ، فسوف يجعل التمثيل الضوئي أكثر كفاءة ، مما يساهم في ثراء ووفرة الحياة. في الواقع ، في ظل ظروف مثالية ، قد يضاعف تكثيف الإكسيتون معدل نقل الطاقة مقارنة بما يمكن أن يكون ممكنًا.

حتى أجهزة الكمبيوتر الفائقة تكافح لنمذجة تعقيد السلوك الذري ودون الذري أثناء عملية التمثيل الضوئي ، لذلك تصبح النماذج مبسطة أكثر من العديد من السيناريوهات العلمية الأخرى. ومع ذلك ، يحذر Mazziotti من أن السلوك الجماعي هو شيء لا ينبغي استبعاده. قال: “نعتقد أن الارتباط المحلي للإلكترونات ضروري لالتقاط كيفية عمل الطبيعة في الواقع”.

الدراسة مفتوحة الوصول في طاقة PRX