식물은 왜 그렇게 효율적이고 빠르게 에너지를 운반할까요?

태양 에너지를 저장 가능한 화학 에너지 형태로 효율적으로 변환하는 것은 많은 엔지니어의 꿈입니다. 자연은 수십억 년 전에 이 문제에 대한 완벽한 해결책을 찾았습니다. 새로운 연구는 양자 역학이 물리학자를 위한 것이 아니라 생물학에서도 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

녹색 식물과 같은 광합성 유기체는 양자역학적 과정을 사용하여 태양에너지를 활용합니다.

위르겐 하우어는 이렇게 설명합니다. "예를 들어 잎에 빛이 흡수되면 전자 여기 에너지는 각 여기된 엽록소 분자의 여러 상태에 분산됩니다. 이를 여기된 상태의 중첩이라고 합니다. 이는 분자 내부와 분자 사이의 거의 손실 없는 에너지 전달의 첫 번째 단계이며, 태양 에너지의 효율적인 후속 전달을 가능하게 합니다. 따라서 양자 역학은 에너지 전달과 전하 분리의 첫 번째 단계를 이해하는 데 핵심적입니다."

고전 물리학만으로는 만족스럽게 이해할 수 없는 이 과정은 녹색 식물과 광합성 박테리아와 같은 다른 광합성 생물체에서는 끊임없이 발생합니다.

하지만 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다.

하우어와 첫 번째 저자인 에리카 카일은 이 연구를 잎의 녹색 색소인 엽록소가 어떻게 작동하는지 밝히기 위한 노력에 중요한 새로운 기초로 여겼습니다.

이러한 연구 결과를 인공 광합성 장치의 설계에 적용하면 태양에너지를 전례 없는 효율로 전기 생산이나 광화학에 활용할 수 있을 것입니다.

이 연구를 위해 연구자들은 엽록소가 빛을 흡수하는 스펙트럼의 두 가지 특정 섹션, 즉 저에너지 Q 영역(노란색에서 빨간색 스펙트럼 범위)과 고에너지 B 영역(파란색에서 녹색)을 조사했습니다. Q 영역은 양자 역학적으로 결합된 두 가지 다른 전자 상태로 구성됩니다. 이 결합은 분자에서 손실 없는 에너지 전달로 이어집니다.

그런 다음 시스템은 "냉각"을 통해, 즉 열의 형태로 에너지를 방출하여 이완됩니다. 이 연구는 양자 역학적 효과가 생물학적으로 관련된 과정에 결정적인 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250204132535.htm

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