Wystarczy jeden foton: ScienceAlert

Podczas fotosyntezy symfonia chemikaliów przekształca światło w energię potrzebną roślinom, algom i niektórym bakteriom. Naukowcy wiedzą teraz, że ta niezwykła reakcja wymaga najmniejszej możliwej ilości światła — tylko jednego Foton – na początek.

Zespół amerykańskich badaczy zajmujących się optyką i biologią kwantową wykazał, że może rozpocząć się pojedynczy foton Fotosynteza u fioletowych bakterii Spiroidy Rhodobacteri są przekonani, że działa na rośliny i glony, ponieważ wszystkie organizmy fotosyntetyzujące mają wspólnego ewolucyjnego przodka i podobne procesy.

Zespół twierdzi, że ich odkrycia poszerzają naszą wiedzę na temat fotosyntezy i doprowadzą do lepszego zrozumienia przecięcia fizyki kwantowej w szerokim zakresie złożonych systemów biologicznych, chemicznych i fizycznych, w tym paliw odnawialnych.

„Wykonano ogromną ilość pracy, teoretycznej i eksperymentalnej, na całym świecie, próbując zrozumieć, co dzieje się po wchłonięciu fotonu” On mówi Graham Fleming, biochemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

„Ale zdaliśmy sobie sprawę, że nikt nie mówił o pierwszym kroku. To było pytanie, które nadal wymagało szczegółowej odpowiedzi”.

chlorofil Cząsteczki otrzymują fotony ze słońca, w wyniku czego elektron w chlorofilu zostaje wzbudzony i przekazywany innym cząsteczkom, tworząc budulec cukru, który dostarcza roślinom pożywienia i uwalnia tlen.

Słońce nie zasypuje nas zbyt dużą liczbą fotonów — w słoneczny dzień tylko około 1000 fotonów dociera do cząsteczki chlorofilu w ciągu sekundy — więc efektywność fotosyntezy w wykorzystywaniu światła słonecznego do produkcji cząsteczek bogatych w energię doprowadziła naukowców do przekonania, że ​​pojedynczy foton może rozpocząć tę reakcję.

„Natura wymyśliła bardzo sprytną sztuczkę” – powiedział Fleming On mówi.

Naukowcy skupili się na dobrze przebadanej strukturze białek u fioletowych bakterii, tzw lekkie żniwa 2 (LH2), może absorbować fotony o określonej długości fali.

Za pomocą specjalistycznych narzędzi stworzyli źródło fotonów, które z pojedynczego fotonu o wyższej energii tworzyło parę fotonów Spontaniczny limit konwersji w dół.

Podczas impulsu pierwszy foton, zwany „heroldem”, został zaobserwowany przez bardzo czuły detektor, co wskazuje na przybycie fotonu partnerskiego, który wchodził w interakcję z cząsteczkami LH2 w laboratoryjnej próbce fioletowych bakterii.

Kiedy foton o długości fali 800 nanometrów uderzył w pierścień cząsteczek w LH2, energia trafiła do drugiego pierścienia, który wyemitował fotony fluorescencyjne o długości fali 850 nanometrów.

W naturze ten transfer energii będzie trwał aż do rozpoczęcia fotosyntezy. Odnalezienie w laboratorium fotonu o długości fali 850 nanometrów było wyraźnym sygnałem, że proces ten się rozpoczął, zwłaszcza że struktury LH2 zostały oddzielone od innych części komórki.

Wyzwaniem było uporanie się z pojedynczymi fotonami, które łatwo stracić. Aby to obejść, naukowcy wykorzystali foton latarni morskiej jako przewodnik.

„Myślę, że pierwszą rzeczą jest to, że ten eksperyment pokazał, że można robić rzeczy z pojedynczymi fotonami” On mówi Fizyk chemiczny Birgitta Wally z Berkeley. „Więc to jest bardzo ważny punkt”.

Korzystając z modelu rozkładu prawdopodobieństwa i algorytmu komputerowego, zespół przeanalizował ponad 17,7 miliarda zdarzeń wykrywania fotonów i 1,6 miliona zdarzeń wykrywania fotonów fluorescencyjnych.

Kompleksowa analiza oznacza, że ​​naukowcy są przekonani, że wyniki były spowodowane jedynie absorpcją pojedynczego fotonu i że żadne inne czynniki nie mogły mieć na to wpływu.

dużo Zaawansowane szukanie Kolejne etapy fotosyntezy obejmowały, po pochłonięciu światła, wysłanie potężnych, ultraszybkich impulsów laserowych do fotosyntetycznych cząsteczek.

„Istnieje ogromna różnica w intensywności między laserami a światłem słonecznym – typowa skupiona wiązka laserowa jest milion razy jaśniejsza niż światło słoneczne” – mówi. Wyjaśnić Quanwei Li, fizyk kwantowy i inżynier z Berkeley.

Pokazując, jak zachowują się poszczególne fotony podczas fotosyntezy, badania te dostarczają nam ważnych informacji o tym, jak działa naturalny proces konwersji energii. Technologie sztucznej fotosyntezy mogą pewnego dnia stać się kluczem do zrównoważonego przetrwania i rozwoju w kosmosie.

„Tak jak musisz zrozumieć każdą cząsteczkę, aby zbudować komputer kwantowy” – powiedział Lee DodaćMusimy zbadać właściwości ilościowe systemów żywych, aby je naprawdę zrozumieć i stworzyć wydajne systemy syntetyczne, które wytwarzają paliwa odnawialne.

Badanie to było wyjątkową okazją dla dwóch dziedzin naukowych, które normalnie nie współpracowałyby ze sobą, aby zastosować i połączyć techniki optyki kwantowej i biologii.

„Następną rzeczą jest to, co jeszcze możemy zrobić?” On mówi Willie.

„Naszym celem jest zbadanie transferu energii poszczególnych fotonów przez kompleks fotosyntezy w możliwie najkrótszych skalach przestrzennych i czasowych”.

Badania opublikowane w Natura.