Planter bruger lys fra Solen til at omdanne CO2 og vand til plantemateriale og ilt. Det sker i en proces, der kaldes fotosyntesen.
Fotosyntesen er en særdeles effektiv proces, idet planten udnytter hele 95 procent af energien i sollyset.
Hidtil har forskere haft svært ved at forstå, hvordan planter gør det. Eksempelvis ligger menneskeskabte solceller kun på omkring 20 procent energiudnyttelse.
Nu viser et nyt skotsk studie, at planter opnår deres effektivitet ved at benytte sig af kvantefysik, når de indsamler energien fra solen.
Den overraskende opdagelse kom bag på forskerne bag studiet.
»Normalt ser man kun den slags i veldefinerede fysiske systemer ved meget lave temperaturer. Det er en overraskelse, at man også ser det i rodede biologiske systemer ved stuetemperatur. Det er en bemærkelsesværdig opdagelse at finde det i biologien,« fortæller professor Richard Cogdell fra University of Glasgow, til Livescience.com.
Studiet er for nylig præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Science.
Giver spændende fremtidsperspektiver
Den danske biofysiker og postdoc ved Harvard University Kaare Jensen er begejstret for studiet, som han kalder meget spændende.
Han ser også store fremtidsperspektiver i den nye viden.
»Hovedperspektivet er, om man kan kopiere det i eksempelvis solceller, hvor man i dag ikke kommer i nærheden af at kunne det, som planter kan. Det er ikke så meget det at optage lys, men mere at gøre det robust, så det ikke kræver så kontrollerede miljøer for at være effektivt. Det vil man meget gerne kunne kopiere,« siger Kaare Jensen.
Planter bruger kvantefysik
Når planter skal optage sollys og omdanne det til brugbar energi, udnytter de energien i de fotoner, der udgør Solens stråler.
Fotonerne fra Solen rammer nogle antennekomplekser inde i planternes celler, og energien fra fotonerne overføres til antennekompleksernes kerne, hvor de fodrer energikrævende processer, der danner sukkerstoffer til planten.
På vej ind til kernen kerne, kan fotonerne tage forskellige veje gennem antennekomplekset. Hver af vejene koster en lille smule energi, og det gælder for planten om, at fotonerne tager den vej med mindst muligt energitab.
Det nye skotske studie viser, at planten vælger den mest energieffektive vej ved at bruge en kvantefysisk egenskab ved fotoner, der gør, at fotonerne kan opføre sig som både partikler og bølger.
Da fotonerne kan opføre sig som bølger, kan de være flere steder på samme tid. Egenskaben kendes som kvantemekanisk superposition.
Når fotonerne kan være flere forskellige steder på samme tid, kan de tage alle potentielle veje ind i antennekompleksets kerne samtidig og øjeblikkeligt finde den mest energieffektive af dem.
På den måde opnår planter deres imponerende 95 procent energiudnyttelse.
Studie af fotosyntese i bakterier
I studiet har de skotske forskere lavet forsøg på den lilla bakterie kaldet Rhodopseudomonas acidophila.
Bakterien laver også fotosyntese og bruges ofte af forskere til at studere processen.
I forsøget udtog forskerne én af de molekylære ringe (se billede til højre), som antennekomplekset er opbygget af. Herefter skød de fotoner på ringen med en laser.
Når ringen blev ramt af en foton lyste den op, men forskerne så også, at lyset ikke var konstant, men blev ved med at stige og falde i intensitet.
Variationen i lysintensiteten fik forskerne til at konkludere, at planten brugte kvantemekanisk superposition for at lede fotonerne langs den mest energieffektive vej ind i antennekompleksets kerne.
»Vi har set det samme i fysiske systemer med meget veldefinerede betingelser og ved lave temperaturer i laboratoriet. Men vi har aldrig set det før i et biologisk system,« fortæller Richard Cogdell til Livescience.com.
