探索植物的秘密

探索植物的秘密

植物能以极高的效率将阳光转化为化学能。这是如何实现的还不是完全清楚的。ETH的物理学家现在已经建立了一个量子物理模型,旨在回答这个问题。

图片说明:模拟光捕获模型的三比特电路:三个量子比特(红色、蓝色和绿色)从紫色波导中获得微波辐射。借助于经过特殊设计的经典噪声,通过粉红色的光通线应用,量子比特将采集到的能量传输到橙色显示的输出谐振器。(图:苏黎世联邦理工大学量子器件实验室,A.拍摄č聂)

叶绿素是关键分子。多亏了这种绿色颜料,植物才能够把阳光直接转化为化学能。在植物细胞中,利用光产生的ATP分子——能量供应中心的一个事实,现在可以在任何一本好的生物学教科书中阅读。然而,这个过程仍是一个科学谜团。研究人员对植物将阳光转化为化学能的高度效率感到特别惊讶。

对比世界

过去几年进行的几项实验表明,量子物理效应在能量转换中起着重要作用。由于这些效应,叶绿素分子收集的能量可以转移到ATP形成的区域,而不会造成重大损失。“我们有一个自相矛盾的情况,”解释安东拍摄čNIK,在物理系在量子器件实验室博士后Andreas Wallraff集团。“一方面,分子过程受量子物理效应的影响,另一方面,光合作用发生在潮湿和温暖的环境中,经典物理学法则适用于此。”

然而,关键是隐藏在这个明显的矛盾中:几个理论模型支持这两个世界之间的相互作用可以解释光合作用效率高的建议。然而,这是否是实际情况,还没有得到实验验证。

三量子位模型系统

拍摄č聂曾与Arno Bargerbos和他的同事们关闭这个差距。正如他在最近一期《自然通讯》杂志上报道的那样,他已经与剑桥大学和普林斯顿大学的研究人员一起开发了一个测试程序,可以对不同的理论模型进行实验验证。

它包括一个简单的,完全受控的量子系统,复制基本的结构,出现在植物细胞中。其核心是三个超导量子比特(量子位),它们相互耦合。它们代表叶绿素分子,吸收光能并将其转移到ATP形成酶复合体中。

“我们的测试过程提供准确的洞察力,光是如何转化为化学能,我们能有选择地控制各种参数,解释说:”拍摄čNIK。这种理解是很重要的,因为它可以帮助我们在未来更有效地将光转化为光伏电池中的电。

归结为振动。

拍摄č聂的实验证实了建议,叶绿素分子的自然振动能量传递过程中起关键作用。根据分子运动的速度,能量或多或少地被输送。

然而,这三个耦合量子比特,研究人员已经开发出一种只有rudimentarily复制现实条件下植物细胞内的设置。“旅游概念证明我们的系统复制过程的现实后,下一步我们将构建更复杂的系统,为了更多的比特终于揭开光合作用的秘密,”解释拍摄čNIK。

日常生活中的量子物理学

研究人员的实验方法也可以在其他领域提供新的见解。例如,科学家怀疑我们的嗅觉也是基于量子物理学和经典物理学的结合。毕竟,经典物理学本身不能解释为什么我们能够分辨出这么多不同的气味。“这种情况是否存在可能的实验验证使用一个模型,如我们的,说:”拍摄čNIK。

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