量子实验揭晓了光合作用的效率几乎为100%的原因

发布时间：2023-08-17 14:09:30 所属栏目：动态来源：

导读：在能源方面，任何物理系统的“圣杯”都是100%的效率。在大多数情况下，这是一个几乎不可能实现的目标，因为从任何形式的能量首先必不可少地转移到生物质系统中的微生物群落的那一刻起，它就不可避免地会因

在能源方面，任何物理系统的“圣杯”都是100%的效率。在大多数情况下，这是一个几乎不可能实现的目标，因为从任何形式的能量首先必不可少地转移到生物质系统中的微生物群落的那一刻起，它就不可避免地会因各种因素而流失——热量、碰撞、化学反应等。——在最终完成他被设计的最终任务之前。物理学家设法以近乎完美的效率创建系统的唯一方法是将自然推向极端：

在接近绝对零度的温度下，
通过在具有吸收晶格的（晶体）系统上发射单色（激光）光子，
或在超导性和超流动性等极端情况下。
但大自然为我们提供了一个非常令人惊讶的例外：植物。不起眼的植物，以及其他更原始的光合生物（如某些种类的细菌和原生生物），吸收特定波长（蓝色和红色）的一小部分阳光，通过复杂的光合作用过程将光（光子）能量转化为糖。然而，不知何故，尽管没有遵守上述任何物理条件，但几乎100%吸收的能量被转化为电子能量，然后通过光合作用产生这些糖。只要我们知道光合作用的潜在化学途径，这一直是一个未解决的问题。但多亏了量子物理、化学、生物学的接口，我们可能终于有了答案，而生物无序才是关键。

效率可能意味着检查反应产生的总能量作为输入系统的总能量的一小部分。这实际上是在整体上进一步地考虑一个完整的网络化的端到端系统的整体通信效率时常用的定义。
或者效率可能意味着检查系统的一个孤立部分：参与正在考虑的反应的输入能量部分，然后该能量的哪一部分被使用或从该反应中释放出来。在考虑端到端交互的单个组件时，更常使用此方法。
第一个和第二个定义之间的区别在于，为什么两个不同的物理学家可以看看去年在国家点火设施取得的巨大聚变能突破，并得出似乎不一致的说法：我们同时超过了聚变能的盈亏平衡点，核聚变仍然使用比它产生的能量多130倍。.如果您考虑入射在氢丸上的能量与从反应中释放的能量相比，则第一个是正确的，而如果您考虑整个完整的设备，包括产生入射能量的电容器组的低效充电，则第二个是正确的。

在国家点火设施，全向高功率激光器将材料颗粒压缩和加热到足以启动核聚变的条件。NIF甚至可以产生比太阳中心更高的温度，并且在2022年底，从激光能量相对于从触发的聚变反应中释放的能量入射到氢目标上的角度，首次通过了盈亏平衡点。

的确，从整体的角度来看，植物的效率甚至低于太阳能电池板，太阳能电池板可以将总入射太阳能的15-20%转化为电能。在植物中发现的叶绿素 - 特别是叶绿素分子 -只能在两个特定的窄波长范围内吸收和利用阳光：波长峰值约为430纳米的蓝光和波长峰值约为662纳米的红光。叶绿素a是使光合作用成为可能的分子，存在于所有光合生物中：植物，藻类和蓝藻。（叶绿素b是另一种仅在某些光合生物中发现的光吸收和光合作用分子，具有一组不同的波长峰值。

当人们考虑植物上的所有入射阳光时，可以转化为植物有用能量的辐射量仅占照射植物的阳光总能量的百分之几;从这个严格的意义上说，光合作用并不是特别有效。但是，如果我们只关注可以激发叶绿素分子的单个光子——位于叶绿素a的两个吸收峰或附近的光子——红色波长光子的效率约为80%，而蓝色波长光子的效率超过95%：接近完美，毕竟是100%的效率。

该图显示了叶绿素分子的吸收效率，该分子主要在一组特别蓝色（430 nm）和特别红色（662 nm）波长周围达到峰值。从吸收到光合反应中心，能量运输几乎100%有效：这是许多生物学家难以解释的难题。

所有这一切的难题是，为什么对于在第一步中被吸收的每个光子，大约100%的光子在最后一步结束时产生激发的电子？就效率而言，实际上几乎没有任何一个已知的自然活动发生的物理系统以这种独特的方式如此运行。然而，不知何故，生物体的光合作用确实如此。

（编辑：汽车网）

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