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Erste Beobachtung und Kennzeichnung des Kritischen Körperlichen Phänomens Hinter Fotosynthese

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

Die Zukunft der sauberen grünen Solarenergie hängt möglicherweise gut von den Wissenschaftlern ab, die sind, die Geheimnisse der Fotosynthese, der Prozess zu entwirren, durch den Grünpflanzen Sonnenlicht in elektrochemische Energie konvertieren.

Zu diesem Zweck haben Forscher mit der US-Abteilung (DOE) von Nationalem Laboratorium des Lawrence Berkeley der Energie (Berkeley-Labor) und das University of California (UC), Berkeley die erste Beobachtung und die Kennzeichnung eines kritischen körperlichen Phänomens hinter der Fotosynthese aufgezeichnet, die als Quantumsverwicklung bekannt ist.

Mohan Sarovar (gesetzt) und (vom links) Akihito Ishizaki, Brigitta Whaley und Graham Fleming führten die erste Beobachtung und die Kennzeichnung der Quantumsverwicklung in einer wirklichen biologischen Anlage durch. (Foto durch Roy Kaltschmidt, Berkeley-LaborÖffentliche Angelegenheiten)

Vorhergehende Experimente geführt von Graham Fleming, ein Physikochemiker, der gemeinsame Verabredungen mit Berkeley-Labor und Uc Berkeley, gezeigt auf mechanische Effekte des Quantums anhält, wie die Taste zur Fähigkeit von Grünpflanzen, durch Fotosynthese, Solarenergie von den Molekülen in der Leuchte, die Komplexe auf Moleküle in der elektrochemischen Reaktion fast blitzschnell zu übertragen erntet, zentriert. Jetzt haben ein neues kooperatives Team, das Fleming enthält, Verwicklung als natürliches Merkmal dieser Quantumseffekte gekennzeichnet. Wenn zwei Quantum-groß Partikel, zum Beispiel ein Paar von den Elektronen, „verwickelt werden,“ wird irgendeine Änderung bis eine sofort in der anderen reflektiert, egal wie weit auseinander sie möglicherweise wären. Obwohl physikalisch getrennt, treten die zwei Partikel als eine einzelne Instanz auf.

„Dieses ist die erste Studie, zu zeigen, dass Verwicklung, möglicherweise ist das unterscheidendste Eigentum von mechanischen Anlagen des Quantums, über einer gesamten Leuchte anwesend, die Komplex erntet,“ sagt Mohan Sarovar, ein Habilitationsforscher unter Uc- Berkeleychemieprofessor Brigitta Whaley in der Berkeley-Mitte zu Quantums-Information und -Übertragen Auf Lochkarten. „Während es frühere Untersuchungen der Verwicklung in den Spielzeuganlagen gegeben hat, die durch Biologie motiviert wurden, ist dieses die erste Instanz, in der Verwicklung ist geprüft worden und mengenmäßig bestimmt worden in einer wirklichen biologischen Anlage.“

Die Ergebnisse dieser Studie halten Auswirkungen nicht nur für die Entwicklung von künstlichen Fotosyntheseanlagen als auswechselbare umweltfreundliche Quelle der elektrischen Energie, aber auch für die zukünftige Entwicklung von Quantum-basierten Technologien in den Bereichen wie Datenverarbeitung an - ein Quantumscomputer könnte bestimmte Operationstausenden Zeiten schneller durchführen als jeder herkömmliche Computer.

„Die Lektionen, die wir über die Quantumsaspekte der Leuchte erntend in den natürlichen Anlagen lernen, können an der Auslegung von künstlichen fotosynthetischen Anlagen angewendet werden, die sogar besser sind,“ Sarovar sagt. „Die organischen Zellen in der Leuchte, die Komplexe und ihre synthetischen Nachahmer erntet, konnten als nützliche Bauteile von Quantumscomputern auch dienen, oder andere Quantum-erhöhte Einheiten, wie Kabel für die Übertragung von Informationen.“

Was sein kann beträchtlichste Enthüllung dieser Studie die ist das, das zum populären wissenschaftlichen Begriff konträr ist, dass Verwicklung ein empfindliches und exotisches Eigentum ist, schwierig auszuführen und zu warten, haben die Berkeley-Forscher gezeigt, dass Verwicklung auf der chaotischen chemischen Komplexität einer biologischen Anlage existieren und weiter bestehen kann.

„Wir legen überzeugenden Beweis für Quantumsverwicklung in den lauten Ungleichgewichtanlagen an den hohen Temperaturen vor, indem wir die Zeiträume bestimmen und Temperaturen, für die Verwicklung in einer Proteinzelle wahrnehmbar ist, die zur Fotosynthese in bestimmten Bakterien zentral ist,“ sagt Sarovar.

Sarovar ist ein Mitverfasser mit Fleming und Whaley eines Papiers, das diese Forschung beschreibt, die erscheint online in der Zapfen Natur-Physik betitelten „Quantums-Verwicklung in den fotosynthetischen leicht-erntenden Komplexen.“ Dieses Papier Auch mit-zu schreiben war Akihito Ishizaki Flemings in der Forschungsgruppe.

Grünpflanzen und bestimmte Bakterien sind in der Lage, die Energie zu übertragen, die vom Sonnenlicht durch ein Netz der Leuchte Pigmentprotein Komplexe erntend und in Reaktionsmitten mit fast 100 Prozent Leistungsfähigkeit geerntet wird. Drehzahl ist die Taste - die Übertragung der Solarenergie findet so schnell statt, dass wenig Energie als Wärme vergeudet wird. Im Jahre 2007 berichteten Fleming und seine Forschungsgruppe über den ersten unmittelbaren Beweis, dass diese im Wesentlichen blitzschnelle Energieübertragung durch eine bemerkenswert langlebige, wellenähnliche elektronische Quantumskohärenz ermöglicht wurde.

Unter Verwendung der elektronischen Spektroskopiemaße, die auf einer Femtosekunde (millionths Billionste einer Sekunde) Zeitschuppe gemacht wurden, entdeckten Fleming und seine Gruppe das Bestehen von schlagenden“ Signalen „des Quantums, zusammenhängende elektronische Oszillationen in Spender- und Akzeptantmoleküle. Diese Oszillationen werden durch die Anregungsenergie von erfassten Solarphotonen erzeugt, wie den gebildeten Wellen, wenn Steine in einen Teich geworfen werden. Die wellenähnliche Qualität der Oszillationen aktiviert sie, alle Bahnen der möglichen Energie Übergangsin der fotosynthetischen Anlage gleichzeitig zu prüfen und das effizientste zu wählen. Nachfolgende Studien durch Fleming und seine Gruppe kennzeichneten einen nah gepackten Pigmentprotein Komplex im hellen erntenden Teil der fotosynthetischen Anlage als die Quelle von zusammenhängenden Oszillationen.

„Unsere Ergebnisse schlugen, dass die aufeinander bezogenen Proteinumgebungen, die Pigmentmoleküle umgeben (wie Chlorophyll) Quantumskohärenz in den fotosynthetischen Komplexen konservieren und die Anregungsenergie sich in Platz zusammenhängend bewegen lassen, der der Reihe nach die in hohem Grade effiziente Energie aktiviert, die in der Fotosynthese erntet und einschließt,“ Fleming sagt vor.

In dieser neuen Studie wurde ein zuverlässiges Baumuster der Leuchte die Dynamik erntend, die von Ishizaki und von Fleming entwickelt wurde, mit der Quantumsinformationsforschung von Whaley und von Sarovar kombiniert, um zu zeigen, dass Quantumsverwicklung auftaucht, während die Quantumskohärenz in den Fotosyntheseanlagen entwickelt. Der Fokus ihrer Studie war das fotosynthetische (FMO) leicht-erntende Protein Fenna-Matthews-Olson, ein molekularer Komplex, der in den grünen Schwefelbakterien gefunden wurde, den als ein Modellsystem für das Studieren der fotosynthetischen Energieübertragung gilt, weil sie aus nur sieben Pigmentmolekülen besteht, deren Chemie gut gekennzeichnet worden ist.

„Wir fanden numerischen Beweis für das Bestehen der Verwicklung im FMO-Komplex, der über Picosekundenzeiträumen weiter bestand, im Wesentlichen, bis die Anregungsenergie durch die Reaktionsmitte eingeschlossen wurde,“ Sarovar sagen.

„Dieses ist in einer biologischen oder zerrütteten Anlage bei den physiologischen Temperaturen bemerkenswert und stellt, dass multipartite Verwicklung der Ungleichgewichts für verhältnismäßig lange Zeiten existieren kann, sogar in den in hohem Grade decoherent Umgebungen.“ dar

Das Forschungsteam fand auch, dass Verwicklung über Abständen von ungefähr 30 Ångström (ein Ångström ist der Durchmesser eines Wasserstoffatoms), weiter bestand, aber diese Längeschuppe wurde als Produkt vom verhältnismäßig kleinen des FMO-Komplexes, eher als eine Beschränkung des Effektes selbst angesehen.

„Wir erwarten, dass langlebig, Ungleichgewichtverwicklung ist auch anwesend in der größeren Leuchte, die Antennenkomplexe, wie LH1 und LH2 erntet und dass in solcher größeren Leuchte, die Komplexe es erntet, auch möglich ist, mehrfache Erregung zu erstellen und zu unterstützen, um auf eine reichere Vielzahl von verwickelten Zuständen zuzugreifen möglicherweise,“ Sarovar sagt.

Das Forschungsteam war überrascht, zu sehen, dass beträchtliche Verwicklung zwischen Molekülen auf der Leuchte weiter bestand, die Komplex erntet, die nicht stark (angeschlossen) durch ihre elektronischen und Schwingungszustände verbunden wurden. Sie waren auch überrascht, zu sehen, wie wenig Auswirkungstemperatur auf dem Grad der Verwicklung hatte.

„Auf dem Gebiet von Quantumsinformationen, Temperatur gilt normalerweise als sehr schädlich zu den Quantumseigenschaften wie Verwicklung,“ sagt Sarovar. „Aber in den Anlagen wie Leuchte, die Komplexe erntet, sehen wir, dass Verwicklung gegen die Effekte der erhöhten Temperatur verhältnismäßig immun sein kann.“

Diese Forschung wurde im Teil durch US-Abteilung des Büros der Energie der Wissenschaft und im Teil durch eine Bewilligung vom Defense Advanced Research Projects Agency unterstützt (DARPA).

Last Update: 12. January 2012 22:03

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