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 w fioletowych bakteriach Spiroidy Rhodobacteri są przekonani, że działa to 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 tworzyło parę fotonów o wyższej energii 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 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.
