PDA

Volledige versie bekijken : Fotosynthese



Redhunter
2 april 2010, 20:54
Hey

Ik moet op het wetenschapsforum waarschijnlijk niemand uitleggen wat de fotosynthese is. Er zijn echter wel enkele opmerkelijke dingen aan de fotosynthese. Planten gebruiken namelijk kwantummechanische processen om hun rendement tot boven de 95% te krikken (bij kamertemperatuur!).

Vrij recentlijk onderzoek heeft dit bewezen. Ze bestookten bladgroenkorrels met lasers en maten soms de laser op 2 plekken tegelijk.

Volgens de kwantummechanica kan een deeltje theoretisch gezien op 2 plaatsen tegelijk zijn en aan tunneling doen omdat men de absolute locatie niet kent.
Maar is dit in praktijk ook zo? Kan men alle deeltjes van een laserstraal (in een bladgroenkorrel) op 2 plaasten waarnemen of is hier sprake van interferentie?

Redhunter
3 april 2010, 19:46
Tis maar een failthread precies :unsure:

Hondengans
3 april 2010, 20:39
Had er eens over gelezen hier (http://www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100203131356.htm), daar komt uw laserproefke ook aan bod, mss dat ge er iets aan hebt :).

Valkyrium
3 april 2010, 21:42
Heb je dit ook toevallig vernomen in het programma genaamd "How Long Is a Piece of String"? :D

Redhunter
4 april 2010, 10:06
Nop...vernomen in NWT. En dan nog wat verdergezocht, en zo kom ik bij mijn vraag.

Bedankt voor de link trouwens hondengans ;)

Stuffke
4 april 2010, 11:14
Ik heb problemen met de zin planten GEBRUIKEN de kwantummechanica! De kwantummechanica speelt zich overal af op de schaal van het hele hele kleine. en door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg kan je op die schaal een deeltje niet meer exact waarnemen. Wat je op die schaal doet is een schatting maken van waar het deeltje kan zijn. Als we dit Chemisch gaan bekeken zijn dat de orbitalen. Dat zijn via de kwantummechanica bekomen gebieden waar we een elektron zouden kunnen waarnemen.

Redhunter
4 april 2010, 11:28
Ik heb problemen met de zin planten GEBRUIKEN de kwantummechanica! De kwantummechanica speelt zich overal af op de schaal van het hele hele kleine. en door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg kan je op die schaal een deeltje niet meer exact waarnemen. Wat je op die schaal doet is een schatting maken van waar het deeltje kan zijn. Als we dit Chemisch gaan bekeken zijn dat de orbitalen. Dat zijn via de kwantummechanica bekomen gebieden waar we een elektron zouden kunnen waarnemen.

Akkoord, overal speelt zich kwantummechanica af.
Ik doelde met de zin op het feit dat er zich speciefiek in planten ingewikkelde kwantummechanische processen afspelen die men niet verwachtte in een plant.

Redhunter
5 mei 2010, 18:33
Opgepast, Lange post :unsure:

De fotosynthese is een van de meest alledaagse processen op aarde. Ook is het een van de meest gekende processen uit de natuur. Maar er is wel iets gek mee aan de hand: de fotosynthese werkt misschien een beetje té goed. Het proces is eenvoudigweg te efficiënt om waar te zijn. Van het binnenkomende zonlicht komt vrijwel alles (meer als 95%) ten goede aan de fotosynthese. Een ongekend rendement waar vele biologen hun hoofd al over gebroken hebben. Zeker als men in acht neemt dat dit bij kamertemperatuur gebeurt. Hoe doen planten dat?
Door te breken met de gangbare wereld van de planten en de dieren en gebruik te maken van een heel andere set spelregels luidt het antwoord. Groene planten die de fotosynthese bedrijven kiezen voor een natuurlijk sluiproute. Een route die ultrahoge rendementen en schijnbaar toverachtige energieverplaatsingen mogelijk maakt. Planten omzeilen de wereld van het gewone en maken gebruik van de merkwaardige spelregels van de kwantummechanica om het buitengewone energietransport mogelijk te maken.

Op het eerste zicht lijken de werelden van de biologie en de kwantummechanica onverenigbaar. Biologie beschrijft de levende natuur om ons heen, van eiwitten tot het gedrag van complexe organismen zoals wijzelf. De belangrijkste motor achter de biologische processen is de klassieke fysica. Kwantummechanica bestrijkt een heel ander domein. Dat van de allerkleinste deeltjes op aarde zoals elektronen protonen en quarks. De hoofdrolspelers -de deeltjes- kunnen zich op meerdere plaatsen tegelijk bevinden, golf en deeltje tegelijk zijn, spontaan opduiken uit het niets en zich verplaatsen langs obstakels waarlangs helemaal geen verplaatsing mogelijk is.
Maar de planten hebben een manier gevonden om de klassieke wereld met die van de kwantummechanica te verzoenen. In de bladgroenkorrels van een plant vormt zich een groep van ongeveer honderd chlorofylmoleculen bij elkaar tot een antenne voor het opvangen van licht. Als een chlorofylmolecule een foton vangt, krijgt de molecule extra energie. (Een foton is namelijk vergelijkbaar met pure energie.) Die extra energie - eigenlijk een energiepakketje- springt over naar een volgende chlorofylmolecule, die op zijn beurt aangeslagen raakt. Zodoende hopt het energiepakketje vrolijk langs tientallen moleculen totdat het pakketje het reactiecentrum bereikt, waar de lichtenergie wordt omgezet in bruikbare chemische energie.
Heel mooi en aardig gevonden van de natuur. Er is echter één probleem dat men lange tijd niet kon verklaren: het transport verloopt simpelweg te snel. Een aangeslagen molecule heeft een levensduur van één enkele nanoseconde. Volgens de klassieke natuurkunde is dat veel te snel om bij kamertemperatuur nog mogelijk te zijn. Het feit dat de reacties zo ontzettend snel kunnen plaatsvinden onafhankelijk van de temperatuur duidt onomstotelijk op tunneling. Het rendement is dus in feite een kwantumrendement. Elk geabsorbeerd foton wordt daadwerkelijk gebruikt voor de fotosynthese.

Tunneling is gemakkelijk uit te leggen met een voorbeeld:
Men weet niet precies aan welke kant van een berg het elektron zit. Het elektron heeft niet genoeg energie om over de berg te gaan. Theoretisch kan een elektron dus aan beide kanten van een berg worden gemeten en verwerft daardoor de mogelijkheid om door de berg heen te gaan.
Met tunneling neemt de kwantummechanica echt afstand van de belevingswereld. Een stoel kan niets plots opduiken aan de andere kant van de muur. Een elektron kan dat echter wel. De positie van een elektron is namelijk gebaseerd op waarschijnlijkheid. Een elektron heeft geen absolute plaats; zijn positie is eerder een bepaalde kans die over een ruimte is uitgesmeerd. Deeltjes kunnen zich dus verplaatsen langs ogenschijnlijke niet te overbruggen hindernissen. Denk bij onoverbrugbare hindernissen wel niet aan bergen of muren maar eerder aan krachtvelden.
Om tunneling nog effectiever te maken in het chlorofyl heeft de natuur nog een extra middeltje ingezet: de chlorofylmoleculen zijn zodanig dicht opeengepakt dat de afstand waarover een foton aan tunneling kan doen nog groter wordt. Het deeltje is als het ware op twee plaatsen tegelijk. Daardoor kan het deeltje zich zonder tijdsverlies verplaatsen door de bladgroenkorrel. Het neemt een kwantummechanische ‘tunnel’ door de bladgroenkorrel. Het dicht opeengepakt zitten van de chlorofylmoleculen is essentieel voor de fotosynthese.

Maar alsof dat nog niet genoeg is ,is er meer aan de hand. Het foton, het energiepakketje, schijnt te weten wat de snelste route is naar het reactiecentrum.
Toonaangevende onderzoekers hebben recentelijk aangetoond dat golfachtige elektronische kwantumcoherentie (of interferentie) een belangrijke rol spelen in de fotosynthese . Deze golven kunnen verklaren waarom de fotosynthese zo efficiënt is.
Graham Fleming en zijn team hebben in Berkeley Lab een experiment bedacht om aan te tonen dat deze golven er zijn. Ze gebruiken een techniek genaamd tweedimensionale elektronische spectroscopie. Deze techniek stelt hun in staat om de energie van een aangeslagen chlorofylmolecule te volgen doorheen het chlorofyl.
De techniek bestaat uit het opeenvolgend bestralen van chlorofyl met drie laserstralen gedurende femtosecondes (1.10-15 s). Een vierde laser wordt gebruikt als oscillator om de trillingen te versterken en de overgebleven spectroscopische signalen ( uitgezonden door de excitatie-energie ven de chlorofylmoleculen) te meten wanneer deze excitatie-energie van de ene molecule naar de andere overspringt. De excitatie-energie verandert de manier waarop elk molecuul licht (van de lasers) absorbeert en uitzendt. Deze trillingen planten zich als golven voort door het chlorofyl.
Op deze manier konden Fleming en zijn team waarnemen dat de energie die door hun lasers in het chlorofyl was ingebracht op 2 plaatsen tegelijk was. Dit vermoeden bestaat al 70 jaar en is nu eindelijk experimenteel bevestigt.
Dit is in strijd met de klassieke beschrijving van de fotosynthese waar het foton van de ene chlorofylmolecule naar de andere hopt en telkens een klein beetje energie verliest.

“The classical hopping description of the energy transfer process is both inadequate and inaccurate. It gives the wrong picture of how the process actually works, and misses a crucial aspect of the reason for the wonderful efficiency.”
-G. Fleming

Deze golven stellen het foton in staat om alle mogelijke routes in de chlorofylmolecule tegelijk te bewandelen en de meest efficiënte te kiezen. Een andere interpretatie is dat het foton elke route kan uitproberen en indien de route niet de meest efficiënte is, kan het foton terugkeren zonder ‘straftijd’.
Om het met een voorbeeld uit te leggen: Als je tijdens spitsuur op 3 mogelijke manieren naar huis kan rijden ga je altijd een route kiezen. Je weet niet of de andere routes sneller of trager zijn. In de wereld van de kwantummechanica kun je echter alle drie de routes tegelijk nemen. Je hebt geen exacte locatie. Je weet pas waar je bent als je thuis bent, gearriveerd via de kortste route.

Door combinatie van de kwantummechanica en biologie is weer een stukje van de fotosynthese ontrafeld. Er is echter nog veel onderzoek nodig om alles precies tot in de details te verkennen. Sommige onderzoekers denken al aan een vorm van kwantumbiologie. Er zijn namelijk aanwijzingen dat er in het dagelijks leven nog meer kwantummechanische processen aan bod komen. Men denkt onder meer aan de hersenen, de smaakpapillen en informatietransport in het lichaam. Nog veel te ontdekken dus.

smiley
5 mei 2010, 18:59
tl;dr;

Rider
6 mei 2010, 18:17
yeh heb dit paar weken geleden ook gelezen. CRAZY stuff toch.
Zou mij idd totaal niets verbazen moesten de hersenen effectief ook met zo'n principes werken.

Sagax
14 mei 2010, 02:08
Kan dat wel, één deeltje dat zich op twee plaatsen tegelijk bevindt? dan is er toch sprake van twee deeltjes? massabalans?

Redhunter
14 mei 2010, 14:43
Kan dat wel, één deeltje dat zich op twee plaatsen tegelijk bevindt? dan is er toch sprake van twee deeltjes? massabalans?

We spreken hier over kwantummechanica e ;)

Onzekerheidsrelatie van Heisenberg. (http://nl.wikipedia.org/wiki/Onzekerheidsrelatie_van_Heisenberg)
Een elementair deeltje is gewoon een kans die over een ruimte is uitgesmeerd.
Het is overal, totdat je hem meet.

Er is ook maar 1 deeltje, het is gewoon op 2 plaatsen tegelijk (Geen verschil voor massa))

Quantum tunnelling - Wikipedia, the free encyclopedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling)