Sommige onderwerpen die ik ga beschrijven, heb ik al eerder behandeld op deze en mijn andere website. Maar voor mij zijn Verdiepingen een manier om dieper op bepaalde onderwerpen in te gaan, er een nieuwe dimensie aan te geven en een ander perspectief te bieden.
- Zijn het golven of deeltjes? Golven vertonen soms gedrag alsof ze deeltjes zijn en soms alsof ze golven zijn.
- Superpositie: Deeltjes zijn als golven tegelijkertijd op meerdere plaatsen
- Quantum verstrengeling: Deeltjes zijn met elkaar verstrengeld ongeacht de afstand.
In 2015 deden wetenschappers van de TU Delft een baanbrekende ontdekking. Op een proefopstelling van ruim een kilometer is quantumverstrengeling aangetoond. Deeltjes die ooit met elkaar verbonden zijn geweest, behouden hun verstrengeling, als ze van elkaar gescheiden worden. Zélfs op enorme afstand van elkaar verwijderd.
- Quantum tunneling: Een deeltje golft door een energiebarrière zonder klassiek gezien voldoende energie te hebben.
- Het idee dat energie gekwantiseerd is, betekent dat energie niet continu is, maar in vaste, discrete "pakketjes" voorkomt. Het foto-elektrisch effect bewijst dat lichtenergie gekwantiseerd is: zwak gebonden elektronen worden uit een atoom vrijgemaakt nadat ze voldoende energie absorberen van invallend licht. Dit toont aan hoe licht elektrische ladingen uit metaal kan losmaken via fotonen met specifieke energieniveaus.
- Daarnaast is er het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat de exacte eigenschappen van een deeltje niet tegelijkertijd bekend kunnen zijn.
Deze theorie stelt dat men óf de snelheid óf de positie van een subatomair deeltje op een bepaald moment kan kennen (meten) maar niet allebei tegelijkertijd. De reden hiervoor is dat door de manier van snelheid meten de positiemeting van het deeltje onzeker wordt. Andersom geldt dat het meten van de positie van het deeltje, de snelheid van het deeltje beïnvloedt en de snelheidsmeting onnauwkeurig maakt.
Bron afbeelding: ToonDoo.com
Quantumtunneling is een fenomeen waarbij een deeltje door een energiebarrière heen kan gaan, zelfs als het volgens klassieke natuurkunde niet genoeg energie heeft om die barrière te overwinnen. Het deeltje 'tunnelt' als het ware door het obstakel. Dit komt doordat deeltjes zich ook als golven gedragen, waarbij de golffunctie niet nul wordt bij de barrière, maar exponentieel afneemt. De kans op tunnelen hangt af van de massa van het deeltje (hoe kleiner, hoe beter), de breedte van de barrière (smaller is beter) en de hoogte van de barrière (lager is beter). Het is een proces dat zowel wiskundig als experimenteel is vastgesteld.
De energie van de barrière is groter dan die van het deeltje, waardoor de rode bal tegen de barrière botst. In de klassieke fysica zou het deeltje terugkaatsen, maar in de quantumwereld kan het dankzij de eigenschappen van de golfvergelijking “door de barrière tunnelen”. Deze vergelijking beschrijft hoe golven zich in tijd en ruimte gedragen en werd door Schrödinger opgesteld.
De video laat zien hoe een deeltje zich gedraagt als een golf. Je ziet een rode bol die de meest waarschijnlijke locatie van het deeltje aangeeft. Wanneer het deeltje een energiebarrière nadert, zie je hoe de golfhoogte exponentieel afneemt binnen de barrière—maar nooit helemaal nul wordt. Dat betekent dat er altijd een kans is dat het deeltje “door de muur heen glipt”.
Bij quantumtunneling betekent E > V dat de energie (E) van het deeltje groter is dan de energie van de barrière (V), waardoor het deeltje zou kunnen botsen. Daarentegen houdt E < V in dat de energie van het deeltje lager is dan die van de potentiële barrière, waardoor het deeltje kan tunnelen.
De potentiële energie barrière is een regio waar een deeltje niet genoeg kinetische energie heeft om klassiek er overheen te gaan, maar toch 'uiteindelijk' een kans heeft om erdoorheen te "tunnelen"
Bron: The Action Lab
De interesse in quantumtunneling binnen biologische processen neemt de laatste tijd flink toe. Recent onderzoek wijst erop dat quantumeffecten zelfs in het menselijk lichaam, ondanks de warme en vochtige omgeving, toch een belangrijke rol kunnen vervullen zoals in:
- Enzymatische Reacties: Enzymen versnellen de opbouwstofwisseling (assimilatie), maar ook de afbraakstofwisseling(dissimilatie). Quantumtunneling kan bijdragen aan de snelheid en efficiëntie van enzymatische reacties bij biochemische processen zoals ademhaling en fotosynthese, omdat deeltjes zoals elektronen of protonen zich als golven gedragen en de barrière kunnen doordringen.
- DNA-mutaties: Er zijn aanwijzingen dat quantumtunneling een rol speelt in de mechanismen die DNA-mutaties veroorzaken. Dit kan invloed hebben op evolutie en de ontwikkeling van ziekten zoals kanker, en het biedt mogelijk zelfs kansen voor genezing.
- Neurale Processen: Sommige onderzoekers speculeren dat quantumeffecten ook kunnen bijdragen aan neurale processen, zoals bewustzijn en informatieverwerking in de hersenen. Hoewel dit een controversieel gebied is, zijn er aanwijzingen dat quantumtunneling invloed kan hebben op synaptische transmissie. Dit is het proces waarbij zenuwcellen (neuronen) met elkaar communiceren door signalen over te dragen, meestal via chemische stoffen genaamd neurotransmitters, die worden vrijgegeven bij de synaps.
Ik weet dat het een controversieel gebied is, maar wil toch een interview laten zien met de Britse wis- en natuurkundige Roger Penrose over quantumeffecten die kunnen bijdragen aan neurale processen.
De quantumwereld biedt ons de mogelijkheid om grote vooruitgangen te boeken.
Maar waar eindigt deze wereld op atomair en subatomair niveau?
En waar begint de wereld die we kunnen zien, horen, ruiken en voelen?
Er is geen scherpe grens.......het is een geleidelijke overgang.
Leo Kouwenhoven en vakgenoot Lieven Vandersypen zijn de gidsen tijdens deze reis door de wondere wereld van de quantummechanica op 17 maart 2009 tijdens NWO Spinoza te Paard.
Video: De wondere wereld van quantummechanica
De quantumwetten en logica om atomen en moleculen te beschrijven zijn eigenlijk niet te begrijpen. "Als je denkt dat je quantummechanica begrijpt, dan heb je het niet begrepen" is een beroemde uitspraak van natuurkundige Richard Feynman
Ondanks alle filosofische verwarring maken we wél inmiddels een groot aantal toepassingen die gebaseerd zijn op quantumfysica, van lasers, transistoren, MRI-scanners tot de allernieuwste gadgets van quantumcomputers en teleportatie.
Quantumtunneling speelt een cruciale rol in fotosynthese door elektronen sneller en efficiënter door de energiebarrieres van eiwitten te laten bewegen dan klassieke fysica toelaat. Tijdens de fotosynthese bewegen elektronen via een elektronentransportketen van eiwitten, bestaande uit Fotosysteem II >>cytochroomb6f >> Fotosysteem I
De grootte van de plantencel varieert tussen 10 micrometer en 100 micrometer
- 10 micrometer = 0,01 mm = één honderdste mm
- 100 micrometer = 0.1 mm = één tiende mm.
De formule voor fotosynthese is:
6 H₂O + 6 CO₂ + licht = 6 O₂ + C₆H₁₂O₆
zes moleculen water + zes moleculen koolstofdioxide + zonlicht is gelijk aan zes moleculen zuurstof + één molecuul glucose
De zogeheten Calvin-cyclus speelt hier een rol en moet zes keer worden doorlopen. Deze zes ronden zijn nodig om zes koolstofatomen en twaalf waterstofatomen uit zes CO₂-moleculen te fixeren en om te zetten in één glucosemolecuul C₆H₁₂O₆
De Calvincyclus is het proces waarbij een plant de energie uit de lichtreactie benut. Tijdens de lichtreactie wordt zonlicht omgezet in chemische energie, die tijdelijk wordt opgeslagen in de energiedragers ATP en NADPH. Deze energie wordt in de donkerreactie (de Calvincyclus) gebruikt om CO₂ om te zetten in glucose. Als bijproduct van de lichtreactie wordt water gesplitst, waarbij zuurstof vrijkomt in de atmosfeer. De Calvincyclus is essentieel voor de groei en energieopslag van de plant en blijft functioneren door voortdurend een cyclus van reacties te doorlopen.
Verschil quantum mechanica en quantum fysica van fotosybthese
- De quantummechanica van fotosynthese verwijst naar het proces waarbij planten zonlicht efficiënt omzetten in chemische energie door middel van quantummechanische effecten, zoals coherentie en superpositie. Deze effecten stellen de energie van de geabsorbeerde fotonen in staat om meerdere paden tegelijkertijd te verkennen, waardoor ze sneller en efficiënter het reactiecentrum bereiken, een proces dat van groot belang is voor de hoge efficiëntie van fotosynthese.
- De quantumfysica van fotosynthese betreft de toepassing van quantummechanische concepten, zoals quantumcoherentie en quantumsuperpositie, op de efficiënte energieoverdracht die in planten, algen en bacteriën plaatsvindt tijdens de omzetting van licht in chemische energie. Het fenomeen, ook wel quantumbiologie genoemd, beschrijft hoe energie als "excitons" door fotopigmenten kan reizen, waarbij het de snelste paden naar het reactiecentrum vindt om energieverlies te minimaliseren, een proces dat cruciaal is voor het starten van de fotosynthetische reacties.
De quantumfysica van fotosynthese betreft het fenomeen waarbij lichtenergie efficiënt wordt getransporteerd door moleculen in planten en andere organismen, dankzij quantumverschijnselen zoals quantumcoherentie en superpositie, waardoor ze in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan. Deze effecten stellen de energie van het exciton in staat om alle mogelijke paden naar het reactiecentrum tegelijk af te leggen, wat zorgt voor een ongekende efficiëntie in de omzetting van zonlicht naar chemische energie. Deze quantumeffecten treden op in de fotonische antennes, die licht (fotonen) gebruiken om informatie te genereren, te transporteren en te verwerken, in plaats van elektronen.
Quantumcoherentie in fotosynthese verwijst naar het verschijnsel waarbij energiepakketjes, ook wel excitonen genoemd, tegelijkertijd meerdere mogelijke routes volgen. Hierdoor kunnen ze met een hoge efficiëntie en een gerichte overdracht, energie naar het reactiecentrum transporteren.
Fragment uit de video waarover nog onduidelijkheid zou bestaan:
In het reactiecentrum wordt het energiepakketje afkomstig van de Zon omgezet in een plus en een min. De min, het elektron, kan gebruikt worden om kooldioxide te reduceren en de plus om water te oxideren. Nog onbekend zou zijn:
- In welke mate draagt quantumcoherentie in fotosynthese bij aan de efficiëntie om alle plussen snel te laten arriveren om water te kunnen oxideren, en elektronen snel laten arriveren om kooldioxide efficiënt te kunnen reduceren?
Ik vond het mogelijke antwoord door 'n AI-tool te gebruiken met de vraag: Hoe quantumcoherentie functioneert binnen het proces van fotosynthese:
- Lichtabsorptie en energieoverdracht:
Zodra een lichtfoton wordt geabsorbeerd door een pigmentmolecuul (zoals chlorofyl), wordt een elektron in een geëxciteerde toestand gebracht. Dit geëxciteerde elektron moet vervolgens snel de energie overdragen naar het reactiecentrum.
- Coherent gedrag:
In plaats van willekeurig door de chlorofylmoleculen te "wandelen", kan het geëxciteerde elektron, dankzij quantumcoherentie, in een soort golfachtige toestand een weg vinden naar het reactiecentrum. Dit betekent dat het elektron over meerdere paden tegelijk kan gaan, waardoor het de meest efficiënte route vindt.
- Behoud van energie:
Door deze coherente overdracht wordt energieverlies geminimaliseerd. De energie bereikt het reactiecentrum veel sneller en met minder verstrooiing dan wanneer het proces niet-coherent zou verlopen.
- Elektronenstroom:
De efficiënte en snelle overdracht van elektronen is cruciaal voor de volgende stappen:
-
- Wateroxidatie: De elektronen zijn nodig om de oxidatie van water mogelijk te maken, waarbij zuurstof en protonen vrijkomen. De oxidatie van water is een chemisch proces waarbij watermoleculen elektronen verliezen en zuurstof produceren. Dit proces is cruciaal voor fotosynthese, waarbij planten zuurstof en energie uit zonlicht maken
-
- CO2-reductie: De verzamelde elektronen worden vervolgens gebruikt in de Calvin-cyclus om CO₂ te reduceren tot suikers (glucose), wat de plantaardige groei mogelijk maakt.
Er was nóg een onduidelijkheid:
- Hoe kan een biologisch systeem de quantumcoherentie behouden ondanks een hoge temperatuur in een natte omgeving met veel ruis?
Biologische systemen blijken quantumcoherentie, quantumsamenhang te kunnen behouden, zelfs bij hoge temperaturen en in natte omstandigheden. Dit komt door de unieke eigenschappen van water en de beschermende werking van de moleculaire structuur, waarbij energieverlies wordt beperkt. Eiwitten en andere biologische macro-moleculen fungeren als "beschermende schillen" die de extremere omgevingsfactoren afschermen. Ze creëren een geïsoleerde ruimte voor de quantumprocessen die plaatsvinden.
De sleutel hiervan ligt in de snelle 'decoherentie' van watermoleculen, dit is het verlies van hun quantummechanische eigenschappen door hun interactie met de omgeving.
Bij watermoleculen leidt dit proces tot een snelle overgang van een quantumtoestand naar een klassieke toestand, waardoor ze zich gedragen als deeltjes en niet langer als golven. Dit is een belangrijk effect, omdat het verklaart waarom quantumeffecten zoals superpositie in alledaagse watermoleculen moeilijk waarneembaar zijn.
Bron afbeelding: kwantumfysicablog.nl
Elke seconde straalt de Zon duizenden biljoenen lichtdeeltjes uit. Zonlicht landt op het blad in quantumpakketjes: fotonen. Deze lichtdeeltjes zijn elektromagnetische golfjes met een welbepaalde energie. Allereerst komt deze energie aan bij een zogeheten ‘antenne’, ’n verzameling van honderdduizenden chloroplasten (bladgroenkorrels)
Planten hebben een plantaardige celcyclus. In plantencellen bevinden zich bladgroenkorrels of chloroplasten. Bladgroenkorrels hebben ook een membraan, de thylakoid, die is opgebouwd uit eiwitten en vetten. Hierin liggen verzamelingen van enkele honderden chlorofyl-moleculen ingebed, de fotosystemen. Dit zijn eiwitten en moleculen die samen de energietoelevering verzorgen voor de fotosynthese. Ze functioneren als ‘antennes’, die lichtdeeltjes van de Zon opvangen.
Fotosystemen absorberen vooral blauw en rood licht; groen licht wordt juist verstrooid. Daarom zijn planten groen.
Elektronen worden op volgorde overgedragen tussen de twee fotosystemen, waarbij fotosysteem I NADPH produceert en fotosysteem II ATP. (NADPH en ATP zijn energiedragende moleculen). De elektronenstroom start bij fotosysteem II, dat vergelijkbaar is met het fotosynthetische reactiecentrum. De elektronen worden toegeleverd aan de fotosynthese reactie.
Een elektron binnen deze bladgroenkorrels wordt door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet en krijgt daardoor meer energie.
Wanneer een elektron terugkeert naar zijn grondtoestand, gebeurt er iets bijzonders: het geeft energie af, meestal in de vorm van een foton. Dit proces, emissie genoemd, is ook weer een fundamenteel fenomeen in de quantumfysica.
En nu komt het meest fascinerende:
................een elektron binnen deze bladgroenkorrels wordt door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet en krijgt daardoor meer energie..............
Die energie wordt gebruikt om door het fotosysteem te bewegen, op zoek naar een overbrugging. Dit kun je zien als een "doolhof van touwbruggen" die, als het exciton de juiste weg weet te vinden, leiden naar het zogenaamde 'reactiecentrum', een soort 'batterij'. In dit reactiecentrum vindt een fractie later een reactie plaats waarbij de energie van het foton wordt omgezet in chemische energie.
Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want “je moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen”. De sprongen nemen alle energie op uit de lichtfotonen van de Zon. De antennecomplexen vangen energie op van de Zon en geven deze door aan het reactiecentrum. Hierbij worden quantumeigenschappen in werking gesteld: superpositie en quantumefficiëntie.
De overdracht van energie in fotosynthetische systemen gebeurt op femtoseconde-schaal (1 femtoseconde = 10⁻¹⁵ seconden). Dat is letterlijk een miljoenste van een miljoenste seconde. In die fractie van tijd:
- Wordt een foton geabsorbeerd door een pigmentmolecuul (zoals chlorofyl).
- De energie wordt via exciton-overdracht coherent verspreid over een netwerk van moleculen.
- In ‘n fractie wordt het reactiecentrum bereikt, waar het wordt omgezet in chemische energie.
Bij fotosynthese zorgt superpositie ervoor dat de door chlorofylmoleculen opgevangen lichtenergie via meerdere overdrachtspaden tegelijk naar het reactiecentrum kan gaan als een golf, in plaats van via één enkel, stapsgewijs pad. Dit stelt het fotosynthesesysteem in staat om alle mogelijke routes te verkennen en efficiënt de meest optimale route te kiezen, wat de opmerkelijke snelheid en verliesvrije overdracht van zonne-energie verklaart, die essentieel zijn voor de efficiëntie van fotosynthese. In dit hele proces draait het uiteindelijk natuurlijk om de energiebehoefte van de plant zelf.
Quantumefficiëntie
Tijdens fotosynthese worden elektronen vanuit een reactiecentrum vrijgemaakt doordat het chlorofyl in het reactiecentrum lichtenergie absorbeert, waardoor het in aangeslagen toestand raakt en een elektron afgeeft. Deze energierijke elektronen belanden in een elektronentransportketen, waar hun energie wordt gebruikt om ATP en NADPH te produceren, wat de planten gebruiken als chemische energie voor de vorming van glucose.
Aangeslagen atomen vallen na korte tijd weer terug naar de grondtoestand, chlorofylmoleculen doen dat ook. Daarbij zenden ze een foton uit met een golflengte tussen de 670 en 720 nm. Dit wordt fluorescentie genoemd. Als dit gebeurt, kan de plant deze energie dus niet gebruiken voor een fotosynthese-reactie, en dus ook niet voor andere levensprocessen. Hoe meer fluorescentie je ziet, hoe inefficiënter de energieoverdracht dus is.
Fluorescentie bij fotosynthese verwijst naar de emissie van licht door chlorofyl nadat het licht heeft geabsorbeerd, wat functioneert als een maat voor de efficiëntie van het fotosyntheseproces. Wanneer fotosynthese stress ondervindt door te veel licht, wordt een deel van de geabsorbeerde energie als fluorescentie teruggegeven. Het meten van deze fluorescentie kan worden gebruikt om de gezondheid van planten te monitoren en de fotosynthetische efficiëntie te bepalen, aangezien minder fluorescentie duidt op een efficiëntere opname van lichtenergie.