A fotossíntese é quase 100% eficiente. Um experimento quântico mostra por que
Todos os sistemas biológicos são descontroladamente desordenados. No entanto, de alguma forma, esse distúrbio permite que a fotossíntese da planta seja quase 100% eficiente.- Na física, um sistema é 100% eficiente se puder usar 100% da energia fornecida para realizar algum tipo de trabalho intensivo em energia.
- Nas plantas, quase 100% da energia do fóton incidente do Sol é convertida em energia de elétrons que eventualmente alimenta a produção de açúcar: o processo fotossintético.
- Apesar do fato de que as plantas não são sistemas regularmente ordenados e que a energia dos fótons vem em uma ampla distribuição, a fotossíntese é quase 100% eficiente. Veja como a física quântica faz isso.
Em termos de energia, o “santo graal” de qualquer sistema físico é 100% de eficiência. É uma meta quase impossível na maioria das condições, pois, a partir do momento em que qualquer forma de energia é transferida pela primeira vez para um sistema, ela inevitavelmente se perde em uma variedade de fatores - calor, colisões, reações químicas etc. tarefa para a qual foi projetada. As únicas maneiras pelas quais os físicos conseguiram criar sistemas com eficiência quase perfeita é levar a natureza aos seus extremos:
- em temperaturas próximas do zero absoluto,
- disparando fótons monocromáticos (laser) em sistemas (cristalinos) com redes absortivas,
- ou sob circunstâncias extremas, como supercondutividade e superfluidez.
Mas a natureza nos forneceu uma exceção surpreendente a essa regra: as plantas. A humilde planta, juntamente com outros organismos fotossintéticos mais primitivos (como certas espécies de bactérias e protistas), absorve uma fração da luz solar em comprimentos de onda específicos (azul e vermelho) para converter essa energia luminosa (fóton) em açúcares por meio do complexo processo de fotossíntese. No entanto, de alguma forma, apesar de não obedecer a nenhuma das condições físicas acima, quase 100% dessa energia absorvida é convertida em energia eletrônica, que cria esses açúcares por meio da fotossíntese. Desde que sabemos sobre a via química subjacente da fotossíntese, esse tem sido um problema não resolvido. Mas graças à interface da física quântica, química e biologia, podemos finalmente ter a resposta , e desordem biológica é a chave.
Esta fotografia mostra cloroplastos dentro das células vegetais do organismo Plagiomnium affine. Em termos de transferência de energia solar absorvida para os centros de reação fotossintética onde os açúcares são criados, esse transporte de energia é quase 100% eficiente: uma anomalia entre quase todos os processos biológicos.É muito importante, sempre que um cientista fala sobre “eficiência”, reconhecer que existem duas definições diferentes que são usadas, dependendo de qual cientista está falando sobre isso.
- Eficiência pode significar examinar a quantidade total de energia que sai de uma reação como uma fração da energia total que foi inserida em um sistema. Essa é uma definição comumente usada ao considerar a eficiência geral de um sistema completo, de ponta a ponta, de forma holística.
- Ou a eficiência pode significar examinar uma parte isolada de um sistema: a porção de energia inserida que está envolvida na reação que está sendo considerada e, em seguida, qual fração dessa energia é usada ou liberada dessa reação. Isso é mais comumente usado ao considerar um único componente de uma interação de ponta a ponta.
A diferença entre a primeira e a segunda definição é por que dois físicos diferentes puderam olhar para o tremendo avanço da energia de fusão do ano passado no National Ignition Facility e chegar a afirmações que parecem conflitantes: que nós simultaneamente ultrapassou o ponto de equilíbrio para a energia de fusão e aquela fusão nuclear ainda usa 130 vezes mais energia do que produz . A primeira é verdadeira se você considerar a energia incidente em um pellet de hidrogênio em comparação com a energia liberada pela reação, enquanto a segunda é verdadeira se você considerar todo o aparato completo, incluindo o carregamento ineficiente dos bancos de capacitores que produzem o incidente. energia.
Na National Ignition Facility, lasers omnidirecionais de alta potência comprimem e aquecem um pellet de material em condições suficientes para iniciar a fusão nuclear. O NIF pode produzir temperaturas maiores até do que o centro do Sol e, no final de 2022, o ponto de equilíbrio foi ultrapassado pela primeira vez da perspectiva da energia do laser incidente no alvo de hidrogênio em relação à energia liberada pelas reações de fusão desencadeadas.É verdade que, de um ponto de vista holístico, as plantas são menos eficientes do que os painéis solares, que podem converter algo em torno de 15 a 20% da energia solar total incidente em energia elétrica. O clorofila encontrada nas plantas – e particularmente a molécula de clorofila – só é capaz de absorver e usar a luz solar em duas faixas de comprimento de onda estreitas: luz azul que atinge cerca de 430 nanômetros de comprimento de onda e luz vermelha que atinge cerca de 662 nanômetros de comprimento de onda. A clorofila a é a molécula que possibilita a fotossíntese e é encontrada em todos os organismos fotossintéticos: plantas, algas e cianobactérias entre eles. (A clorofila b, outra molécula fotossintetizante e absorvedora de luz encontrada apenas em alguns organismos fotossintéticos, tem um conjunto diferente de picos de comprimento de onda.)
Quando se considera toda a luz solar incidente em uma planta, combinada, a quantidade de radiação que pode ser convertida em energia útil para a planta é apenas uma pequena porcentagem da energia total da luz solar que atinge uma planta; nesse sentido estrito, a fotossíntese não é particularmente eficiente. Mas se nos restringirmos a olhar apenas para os fótons individuais que podem excitar a molécula de clorofila a - fótons nos dois picos de absorção da clorofila a ou perto deles - os fótons de comprimento de onda vermelho são cerca de 80% eficientes, enquanto os fótons de comprimento de onda azul são mais de 95% de eficiência: quase perfeito, 100% de eficiência, afinal.
Este gráfico mostra a eficiência de absorção da molécula de clorofila a, que atinge principalmente um conjunto de comprimentos de onda particularmente azul (430 nm) e particularmente vermelho (662 nm). Da absorção ao centro de reação fotossintética, o transporte de energia é quase 100% eficiente: um quebra-cabeça para muitos biólogos explicar.É aqui que surge o grande enigma. Vamos percorrer as etapas que ocorrem.
- A luz que é absorvida por uma molécula de clorofila não é monocromática, mas sim a luz que é absorvida é feita de fótons individuais que possuem uma ampla gama de energias.
- Esses fótons excitam elétrons dentro da molécula de clorofila e, quando os elétrons são desexcitados, eles emitem fótons: novamente, em uma faixa de energias.
- Esses fótons são então absorvidos por uma série de proteínas – onde eles excitam os elétrons dentro da proteína, os elétrons então desexcitam espontaneamente, reemitindo fótons – até que esses fótons sejam conduzidos com sucesso ao que é conhecido como centro de reação fotossintética.
- Então, quando o fóton atinge o centro de reação fotossintética, as células convertem essa energia do fóton em energia do elétron, e esses elétrons energéticos são usados no processo fotossintético que eventualmente leva à produção de moléculas de açúcar.
Essa é uma visão geral de nível amplo de como é o caminho para a fotossíntese, desde os fótons incidentes relevantes até os elétrons energéticos que acabam criando açúcares.
O enigma em tudo isso é por que, para cada fóton que é absorvido naquele primeiro passo, aproximadamente 100% desses fótons acabam produzindo elétrons excitados no final do último passo? Em termos de eficiência, não há realmente nenhum sistema físico natural conhecido que se comporte dessa maneira. No entanto, de alguma forma, a fotossíntese faz.
Uma variedade de níveis de energia e regras de seleção para transições de elétrons em um átomo de ferro. Embora muitos sistemas quânticos possam ser controlados para levar a transferências extremamente eficientes em termos de energia, não há sistemas biológicos que funcionem da mesma maneira.Na maioria das circunstâncias de laboratório, se você quiser fazer uma transferência de energia 100% eficiente, você deve preparar um sistema quântico especialmente de uma maneira muito particular. Você deve garantir que a energia incidente seja uniforme: onde cada fóton possui a mesma energia e comprimento de onda, bem como a mesma direção e momento. Você precisa garantir que haja um sistema de absorção que não dissipe a energia incidente: algo como uma rede cristalina onde todos os componentes internos são regularmente espaçados e ordenados. E você precisa impor o mais próximo possível das condições “sem perdas”, onde nenhuma energia é perdida devido às vibrações internas ou rotações de partículas, como propagando excitações conhecidas como fônons .
Mas no processo de fotossíntese, absolutamente nenhuma dessas condições está presente. A luz que entra é a velha luz do sol branca: composta por uma ampla variedade de comprimentos de onda, onde não há dois fótons com exatamente a mesma energia e momento. O sistema de absorção não é ordenado de forma alguma, pois as distâncias entre as várias moléculas não são fixas em uma rede, mas variam tremendamente: em escalas de vários nanômetros até mesmo entre moléculas adjacentes. E essas moléculas são todas livres para vibrar e girar; não há condições especiais que impeçam a ocorrência desses movimentos.
Esta ilustração detalhada mostra a estrutura molecular da molécula do complexo coletor de luz 2 (LH2): uma molécula importante no transporte da energia do fóton incidente em direção ao centro de reação fotossintética. Essas proteínas de antena transportam energia de maneira altamente eficiente: um fenômeno difícil de explicar.Isso é o que é tão emocionante sobre este novo estudo , publicado no início de julho de 2023 no Proceedings of the National Academies of Science. O que eles fizeram foi começar com um dos exemplos mais simples conhecidos de fotossíntese em toda a natureza: uma espécie de bactéria fotossintética conhecida como bactéria roxa (distinta das cianobactérias verde-azuladas), uma das mais antigas, simples e, no entanto, mais eficientes. exemplos conhecidos de organismos que realizam fotossíntese. (A falta de clorofila b ajuda a dar a essa bactéria sua cor roxa.)
A etapa chave que os pesquisadores tentaram isolar e estudar foi após a absorção inicial do fóton, mas antes que o último fóton reemitido chegasse ao centro de reação fotossintética, pois essas etapas iniciais e finais já são bem compreendidas. Mas, para entender exatamente por que esse processo foi tão sem perdas em termos de energia, essas etapas intermediárias precisam ser quantificadas e definidas. Essa também é a parte difícil desse problema e por que faz tanto sentido escolher um sistema bacteriano para estudar que é tão simples, antigo e eficiente ao mesmo tempo.
Esta imagem mostra uma colônia da bactéria roxa (sem enxofre) Rhodospirillum, um exemplo de bactéria fotossintética que contém apenas clorofila a dentro dela.A forma como os pesquisadores abordaram o problema foi tentar quantificar e entender como a energia era transferida entre essas séries de proteínas — conhecidas como proteínas antena — para chegar ao centro de reação fotossintética. É importante lembrar que, ao contrário da maioria dos sistemas físicos de laboratório, não há uma “organização” para a rede de proteínas em sistemas biológicos; eles estão localizados e espaçados irregularmente um do outro no que é conhecido como moda heterogênea , onde cada distância proteína-proteína é diferente da anterior.
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!A proteína antena primária em bactérias roxas é conhecida como LH2: para complexo coletor de luz 2 . Considerando que, em bactérias roxas, a proteína conhecida como LH1 (complexo coletor de luz 1) está fortemente ligada ao centro de reação fotossintética, LH2 é distribuída em outros lugares e sua função biológica é coletar e canalizar energia para o centro de reação. A fim de realizar experimentos diretos nessas proteínas de antena LH2, duas variantes separadas da proteína (LH2 convencional e uma variante para pouca luz conhecida como LH3) foram incorporadas em um disco de pequena escala que é semelhante, mas ligeiramente diferente do membrana nativa na qual essas proteínas coletoras de luz são encontradas naturalmente. Esses discos de membrana quase nativos são conhecidos como nanodiscos e, variando o tamanho dos nanodiscos usados nesses experimentos, os pesquisadores conseguiram replicar como a transferência de energia se comportava entre as proteínas em várias distâncias.
Este diagrama mostra as densidades de carga superficial (esquerda) e a organização estrutural (direita) das estruturas proteicas para as moléculas do complexo coletor de luz 2 e 3 (superior e inferior) usadas como proteínas antena na fotossíntese.O que os pesquisadores descobriram é que, à medida que variavam os tamanhos dos discos, de 25 a 28 a 31 Ångströms, eles descobriram que a escala de tempo de transferência de energia interproteína aumentava rapidamente: de um mínimo de 5,7 picossegundos (onde um picossegundo é um trilionésimo de segundo ) até um máximo de 14 picossegundos. Quando eles combinaram esses resultados experimentais com simulações que representam melhor o ambiente físico real encontrado nas bactérias roxas, eles foram capazes de mostrar que a presença dessas etapas que transferem energia rapidamente entre proteínas de antena adjacentes pode aumentar muito a eficiência e a distância sobre a qual energia pode ser transportada.
Em outras palavras, são essas interações entre pares entre proteínas LH2 (e LH3) próximas que provavelmente servem como o principal mediador do transporte de energia: desde o momento em que o primeiro fóton incidente da luz solar é absorvido até que a energia seja finalmente conduzida o centro de reação fotossintética. Uma descoberta importante desta pesquisa – uma descoberta que sem dúvida será surpreendente para muitos – é que essas proteínas coletoras de luz só podem transferir essa energia com muita eficiência por longas distâncias devido ao espaçamento irregular e desordenado das proteínas dentro das próprias bactérias roxas. Se o arranjo fosse regular, periódico ou organizado de maneira convencional, esse transporte de energia de alta eficiência e de longa distância não poderia ocorrer.
Este gráfico mostra a relação entre o tempo que os fótons levam para serem transferidos de uma proteína de antena (seja LH2 ou LH3) para outra em função da distância entre eles. O experimento realizado em três distâncias principais corresponde muito bem às previsões da teoria subjacente (quântica).E foi isso que os pesquisadores realmente descobriram em seus estudos. Se as proteínas estivessem dispostas em uma estrutura de treliça periódica, a transferência de energia seria menos eficiente do que se as proteínas estivessem dispostas em um padrão “organizado aleatoriamente”, o último dos quais é muito mais representativo de como os arranjos de proteínas normalmente ocorrem dentro das células vivas. De acordo com o autor sênior deste último estudo , Professora do MIT Gabriela Schlau-Cohen:
“Quando um fóton é absorvido, você tem pouco tempo antes que a energia seja perdida por meio de processos indesejados, como decaimento não radiativo, então quanto mais rápido ele for convertido, mais eficiente será… A organização ordenada é, na verdade, menos eficiente do que a organização desordenada. da biologia, o que achamos muito interessante porque a biologia tende a ser desordenada. Essa descoberta nos diz que [a natureza desordenada dos sistemas] pode não ser apenas uma desvantagem inevitável da biologia, mas os organismos podem ter evoluído para tirar vantagem disso”.
Em outras palavras, o que normalmente consideramos um “erro” da biologia, que os sistemas biológicos são inerentemente desordenados por muitas métricas, pode na verdade ser a chave de como a fotossíntese ocorre na natureza.
Se as proteínas antenas LH2 e LH3 usadas na fotossíntese fossem todas regularmente espaçadas e orientadas, ou seja, exibissem algum tipo de organização ordenada, o transporte rápido e eficiente de energia da luz para o centro de reação fotossintética seria impossível. É apenas porque a desordem é uma “característica” dos sistemas biológicos que o transporte eficiente de fótons pode ocorrer.Se essas proteínas de antena tivessem sido arranjadas de maneira particularmente ordenada, tanto em termos de distância umas das outras quanto de suas orientações umas em relação às outras, a transferência de energia seria mais lenta e ineficiente. Em vez disso, devido à maneira como a natureza realmente funciona, essas proteínas estão em uma variedade de distâncias irregulares e em orientações aleatórias entre si, permitindo uma transferência de energia rápida e eficiente em direção ao centro de reação fotossintética. Esse insight chave, decorrente de uma mistura de experimentos, teoria e simulações, finalmente apontou o caminho para um caminho de como ocorre essa transferência de energia ultrarrápida e ultraeficiente da energia solar, levando-a diretamente ao centro de reação fotossintética.
Normalmente pensamos na física quântica como relevante apenas para os sistemas mais simples: para partículas quânticas individuais ou elétrons e fótons que interagem. Na verdade, no entanto, é a explicação subjacente por trás de cada fenômeno não gravitacional em nosso mundo macroscópico: de como as partículas se unem para formar átomos a como os átomos se unem para formar moléculas às reações químicas que ocorrem entre átomos e moléculas a como os fótons são absorvidos e emitidos por esses átomos e moléculas. No processo de fotossíntese, reunindo nosso conhecimento combinado de biologia, química e física quântica, estamos finalmente resolvendo o mistério de como um dos processos de maior eficiência energética em toda a ciência da vida realmente ocorre.
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