Comments 15
Единственный способ, с помощью которого физикам удалось создать системы
с практически идеальной эффективностью, - это довести природу до
граничных условий:[.....]
то эффективность фотонов красной длины волны составит около 80%, а
фотонов синей длины волны - более 95%, и это близко к идеальному
100-процентному КПД.
В целом, как я понимаю, электрические трансформаторы где-то такой уровень кпд имеют без особых граничных условий
Как я понимаю речь тут не о КПД, это называется квантовая эффективность - число псевдочастиц, образуемое поглощённым фотоном, дошедшим до преобразующей цепи. В принципе, у современных фотоприёмников она в некоторых спектральных диапазонах тоже до 85% доходит, а лабораторные образцы, насколько мне известно, дошли до примерно 130% (высокоэнергичные фотоны могут выбивать более одного электрона).
молекулярная структура молекулы светособирающего комплекса 2 (LH2) - важной молекулы для переноса энергии падающих фотонов к реакционному центру фотосинтеза. Эти белки-антенны переносят энергию очень эффективно – и этот феномен трудно объяснить.
на рисунке изображены белки — антенны в форме спирали определённой закрутки (мета структуры). Сами фотоны состоят из мельчайших частиц движущихся по спиралям, они совпадают по диаметру и направлению закрутки с белками -антеннами, поэтому эффективно вступают в резонанс и поглощаются
Еще в статье не рассматривается шанс попадания фотона на хлорофил. А он не 100% даже близко. А также потери преобразований глюкозы и насыщение(после определенного порога света растение отказывается использовать его весь).
Эффективность реального листа от 3 до 8% всего... Одно из самых больших - сахарный тростник до 8%.
100 % солнечного света → биодоступная радиация (400—700 нм) составляет 53 %, а 47 % оставшейся радиации не используется → 30 % фотонов теряются из-за неполной абсорбции 37 % (поглощенной энергии фотонов) → 24 % теряется в ходе переноса по антенным комплексам до уровня энергии 700 нм, оставляя 28,2 % энергии света, собранной хлорофиллом → 32 % преобразуются в АТФ и НАДФН, а затем в D-глюкозу, оставляя 9 % (сахар) → 35-40 % сахара потребляется листьями в процессе дыхания и фотодыхания, 5,4 % энергии идёт на чистый прирост биомассы
Это без насыщения еще.
Да, зашёл написать про КПД листа в 3%.
Здесь, конечно, крутая статья совсем про другое.
Тут есть еще такой момент, что света нашего Солнца растениям слишком много и они прямо-таки вынуждены часть света отражать, а часть игнорировать, чтобы избежать перегрева. В гипотетической ситуации, в которой жизнь зародилась на краю зоны Златовласки, эффективность процесса целиком была бы сильно выше, потому что пришлось бы ловить каждую крупинку света
Насколько я знаю, фотосинтез как раз поэтому максимально эффективен у некоторых морских бактерий. На глубине порядка 100м им каждый фотон приходится ловить.
Не совсем. Есть растения, которые ориентируются на весь свет, но они потом вынуждены жить в тропиках.
Просто нельзя одновременно наоптимизировать на слабый и сильный поток.
У хлорофилльного фотосинтеза есть два типа: C3- и C4-фотосинтез. У второго есть ещё своя вариация у толстянковых. По эффективности они все отличаются. И это ещё не говоря про разные варианты бесхлорофилльного фотосинтеза, который при хорошей освещённости имеет более низкую эффективность, но эффективнее при низкой освещённости.
Эх, посмотреть бы на эволюционный путь появления фотосинтеза. Сколько мутаций нужно было отсеять, для получения результата.
Прочел статью, но не могу понять почему хаотичное расположение макрообъектов приводит к таким же квантовым эффектом, как и у микрочастиц. Кто-нибудь поможет с объяснением?
Это у всех макрообъектов так происходит или квантовыми свойствами обладают только какие-то специальные белки?
"Загадка во всём этом заключается в том, почему из всех фотонов, поглощённых на первом этапе, почти 100%, образуют возбуждённые электроны на последнем этапе?"
- Имел место эволюционный отбор (отбор организмов с наиболее эффективной системой преобразования энергии).
Затем: конечный продукт фотосинтеза - это молекула глюкозы, а не возбуждённый электрон, что довольно быстро рассеивает имеющуюся надравновесную (над окружающими электронами) энергию.
Фононы - можно считать квантами, переносящими энергию звуковых колебаний. Проще всего представить фронт звуковой волны, состоящей именно из этих квантов, фононов (да, это весьма образно, упрощённо, но - так).
"Поступающее к растениям излучение - обычный белый солнечный свет, состоящий из широкого спектра длин волн, в котором нет двух фотонов с абсолютно одинаковыми энергией и импульсом"
- Знакомы с так называемыми уширениями?
Есть, например, такие:
- доплеровское;
- естественное (радиационное);
- столкновительное
и др.
"в биологических системах нет "организации" сети белков; они расположены и отстоят друг от друга неравномерно, что называется гетерогенным образом, когда все расстояния между белками разные"
- Ну и что, что нет строго периодической структуры? Те же правильные кристаллы - тоже могут иметь постепенный переход окраски благодаря именно неравномерному размещению хромофора (обеспечивающего цветность компонента). Здесь, кстати, кристаллическая структура тоже никакак не влияет (именно на окраску, т.е. на наличие поглощающих какие-то спектральные линии компонентов).
"Упорядоченная организация на самом деле менее эффективна, чем неупорядоченная организация в биологии, что нам кажется действительно интересным, потому что биология имеет тенденцию быть неупорядоченной"
- Почему-то исключается такое простейшее (imho) объяснение, как: отсутствие видимого нами (сейчас) порядка - отнюдь не является реальным отсутствием порядка. Просто несколько позже - мы найдём логичное объяснение и этому факту. Как то бывало в той-же физике, когда порядок "наводится" лишь после появления другой теории.
"Однако на самом деле она лежит в основе объяснения всех негравитационных явлений в нашем макроскопическом мире"
- И гравитационных, кстати, тоже. Просто пока - людям (населению третьей каменистой планеты у одной из самых распространённых {по типу} звёзд нашей галактики {спиральные галактики, кстати, тоже из числа довольно распространённых} не пришлось достаточно детально изучать этот вопрос.
Если белки были расположены в виде периодической решётки, то передача энергии была менее эффективной
Автор путает произвольную периодическую решётку с адаптированной под задачу. Если бы решётка была адаптирована под улавливание (возможно с многократными переиспусканиями фотонов внутри), то она была бы эффективнее апериодической конструкции. Но природе с трудом даются сложные периодические решения, поэтому найденный вариант является компромиссным по критерию временных затрат на поиск решения. Апериодические решения можно найти быстрее, вот природа их и использовала. Эффективные периодические, скорее всего, вообще лежат далеко вне рамок имевшегося у природы времени.
Так что ничего удивительного и особо эффективного здесь нет. Принцип знаком большинству разработчиков: Заработало? Все, больше ничего не нужно менять.
Квантовый эксперимент показал, почему эффективность фотосинтеза близка к 100%