Odkryj sekrety fotosyntezy

Organizmy fotosyntetyzujące poprzez złożone procesy biochemiczne przekształcają energię świetlną w energię chemiczną, która podtrzymuje życie. Niedawne badania potwierdziły, że interakcja ta może zostać zainicjowana przez absorpcję pojedynczego fotonu, łącząc dziedziny fizyki kwantowej i biologii. Źródło: Jenny Noss/Berkeley Lab

Przełomowy eksperyment ujawnił dynamikę kwantową leżącą u podstaw jednego z najważniejszych procesów zachodzących w przyrodzie.

Wykorzystując złożony szablon pigmentów, białek, enzymów i koenzymów inkrustowanych minerałami, organizmy fotosyntetyzujące mogą przekształcać energię światła w energię chemiczną potrzebną do życia. Badanie opublikowane niedawno w Natura Teraz okazało się, że ten naturalny proces chemiczny jest wrażliwy na najmniejszą możliwą ilość światła – wszystko na raz Foton.

Odkrycie to poszerza naszą obecną wiedzę na temat Fotosynteza Pomoże również odpowiedzieć na pytania o to, jak działa życie w najmniejszej skali, gdzie spotykają się fizyka kwantowa i biologia.

„Wykonano ogromną ilość pracy, zarówno teoretycznej, jak i eksperymentalnej, na całym świecie, próbując zrozumieć, co dzieje się po absorpcji fotonów. Ale zdaliśmy sobie sprawę, że nikt nie mówił o pierwszym kroku” – powiedział współautor Graham Fleming, starszy wykładowca naukowiec w dziedzinie nauk ścisłych, biolog z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley: „To pytanie wciąż wymagało szczegółowej odpowiedzi”.

W swoich badaniach Fleming, współprowadząca autorka Birgitta Wally, starszy naukowiec ds. Nauk o energii w Berkeley Lab i ich grupy badawcze pokazują, że pojedynczy foton może rzeczywiście zainicjować pierwszy etap fotosyntezy u bakterii fotosyntetyzujących fiolet. Ponieważ wszystkie organizmy fotosyntetyzujące stosują podobne procesy i mają wspólnego ewolucyjnego przodka, zespół jest przekonany, że fotosynteza u roślin i alg przebiega w ten sam sposób. „Natura wymyśliła bardzo sprytną sztuczkę” – powiedział Fleming.

Jak żywe systemy wykorzystują światło?

Opierając się na tym, jak wydajnie fotosynteza przekształca światło słoneczne w cząsteczki bogate w energię, naukowcy od dawna stawiali hipotezę, że wystarczy pojedynczy foton, aby rozpocząć reakcję. Fotony przekazują energię elektronom, które następnie wymieniają się z elektronami w różnych cząsteczkach, w wyniku czego ostatecznie powstaje podstawowe składniki do produkcji cukrów. W końcu słońce nie dostarcza tak wielu fotonów — tylko tysiąc fotonów to jedna cząsteczka chlorofilu na sekundę w słoneczny dzień — a mimo to proces zachodzi niezawodnie na całej planecie.

Jednak „nikt nigdy nie poparł tego założenia demonstracją” – powiedział pierwszy autor Quanwei Li, wspólny badacz ze stopniem doktora, który opracował nowe techniki eksperymentalne ze światłem kwantowym w grupach Fleminga i Whaleya.

Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, przeprowadzono wiele badań, które ujawniły najdrobniejsze szczegóły dotyczące późniejszych etapów fotosyntezy, stymulując cząsteczki fotosyntetyczne potężnymi, ultraszybkimi impulsami laserowymi.

Współautor Graham Fleming, po lewej, i pierwszy autor Quanwei Li w pobliżu niektórych urządzeń używanych w ich nowatorskim eksperymencie. Źródło: Henry Lam/Fleming Lab

„Istnieje ogromna różnica w intensywności między laserami a światłem słonecznym – typowa skupiona wiązka laserowa jest milion razy jaśniejsza niż światło słoneczne” – powiedział mi. Nawet gdybyś mógł wytworzyć słabą wiązkę o natężeniu identycznym jak światło słoneczne, to i tak byłaby ona zupełnie inna ze względu na kwantowe właściwości światła zwane statystyką fotonową. Wyjaśnił, że skoro nikt nigdy nie widział pochłaniania fotonu, to nie wiemy, jaka to różnica i jaki to rodzaj fotonu. „Ale tak jak musisz zrozumieć każdą cząsteczkę, aby zbudować komputer kwantowy, musimy zbadać właściwości kwantowe żywych systemów, aby naprawdę je zrozumieć i stworzyć wydajne sztuczne systemy, które generują paliwa odnawialne”.

Fotosynteza, podobnie jak inne reakcje chemiczne, została najpierw zrozumiana w formie zagregowanej – co oznacza, że ​​wiedzieliśmy, jakie były ogólne dane wejściowe i wyjściowe, i na tej podstawie mogliśmy wywnioskować, jak wyglądają interakcje między poszczególnymi cząsteczkami. W latach 70. i 80. postęp technologiczny umożliwił naukowcom bezpośrednie badanie poszczególnych substancji chemicznych podczas reakcji. Teraz naukowcy zaczynają badać przestrzeganie limitówindywidualny kukurydzaoraz skalę cząstek subatomowych, przy użyciu bardziej zaawansowanych technik.

Od założenia do faktu

Zaprojektowanie eksperymentu umożliwiającego obserwację pojedynczych fotonów oznaczało zgromadzenie wyjątkowego zespołu teoretyków i eksperymentatorów, którzy połączyli najnowocześniejsze narzędzia z zakresu optyki kwantowej i biologii. powiedział Wally, który jest także profesorem fizyki chemicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Naukowcy stworzyli źródło fotonów, które generuje pojedynczą parę fotonów w procesie zwanym spontaniczną konwersją w dół. Podczas każdego impulsu pierwszy foton – „herold” – był obserwowany przez bardzo czuły detektor, który potwierdzał, że drugi foton jest w drodze do pobranej próbki absorbujących światło struktur molekularnych bakterii fotosyntetyzujących. Inny detektor fotonów został ustawiony w pobliżu próbki, aby zmierzyć foton o niskiej energii emitowany przez strukturę fotosyntetyczną po tym, jak zaabsorbowała ona drugi foton z pierwotnej pary.

Struktura pochłaniająca światło zastosowana w eksperymencie o nazwie LH2 była szeroko badana. Wiadomo, że fotony o długości 800 nanometrów (nm) są absorbowane przez pierścień 9 bakteryjnych cząsteczek chlorofilu w LH2, powodując przekazanie energii do drugiego pierścienia 18 bakteryjnych cząsteczek chlorofilu, które mogą emitować fotony fluorescencyjne przy 850 nm. W pierwotnych bakteriach energia z fotonów będzie przekazywana kolejnym cząsteczkom, dopóki nie zostaną one wykorzystane do rozpoczęcia chemii fotosyntezy. Ale w eksperymencie, kiedy LH2 został oddzielony od innych mechanizmów komórkowych, wykrycie fotonu 850 nm było ostatecznym znakiem, że proces został aktywowany.

„Jeśli masz tylko jeden foton, bardzo łatwo go stracić. To była główna trudność w tym eksperymencie i dlatego użyliśmy fotonu” – powiedział Fleming. Naukowcy przeanalizowali ponad 17,7 miliarda zdarzeń wykrywania fotonów i 1,6 miliona zdarzeń wykrywania fotonów fluorescencji, aby upewnić się, że obserwacje można przypisać tylko absorpcji pojedynczego fotonu i że żadne inne czynniki nie wpłynęły na wyniki.

„Myślę, że pierwszą rzeczą jest to, że ten eksperyment pokazał, że można naprawdę robić rzeczy z pojedynczymi fotonami. To bardzo, bardzo ważny punkt” – powiedział Wally. „Następną rzeczą jest to, co jeszcze możemy zrobić? Naszym celem jest zbadanie transferu energii poszczególnych fotonów przez kompleks fotosyntetyczny w możliwie najkrótszych skalach czasowych i przestrzennych”.

Odniesienie: „Absorption and Emission of a Single Photon by a Natural Photonic Compound” autorstwa Quanui Li, Kedren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabens-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang i Graham R. Fleming i K. Birgitta Wally, 14 czerwca 2023 r., dostępne tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5