Durante la fotosíntesis, una sinfonía de productos químicos convierte la luz en la energía necesaria para las plantas, las algas y algunas bacterias. Los científicos ahora saben que esta notable reacción requiere la menor cantidad de luz posible: solo una Fotón – para empezar.
Un equipo de investigadores estadounidenses en óptica cuántica y biología ha demostrado que un solo fotón puede comenzar Fotosíntesis en bacterias moradas Rhodobacter spiroidesy confían en que funciona en plantas y algas porque todos los organismos fotosintéticos comparten un ancestro evolutivo y procesos similares.
El equipo dice que sus hallazgos aumentan nuestro conocimiento de la fotosíntesis y conducirán a una mejor comprensión de la intersección de la física cuántica en una amplia gama de sistemas biológicos, químicos y físicos complejos, incluidos los combustibles renovables.
«Se ha realizado una enorme cantidad de trabajo, teórico y experimental, en todo el mundo tratando de comprender qué sucede después de que se absorbe un fotón». Él dice Graham Fleming, bioquímico de la Universidad de California, Berkeley.
«Pero nos dimos cuenta de que nadie estaba hablando del primer paso. Esta era una pregunta que aún necesitaba una respuesta detallada».
clorofila Las moléculas reciben fotones del sol, por lo que un electrón en la clorofila se excita y se transmiten a diferentes moléculas para formar los componentes básicos del azúcar, que proporciona alimento a las plantas y libera oxígeno.
El sol no nos baña con muchos fotones: en un día soleado, solo unos 1000 fotones llegan a una molécula de clorofila cada segundo, por lo que la eficiencia de la fotosíntesis para aprovechar la luz solar para producir moléculas ricas en energía ha llevado a los científicos a creer que una sola fotón puede iniciar esta reacción.
“La naturaleza ha inventado un truco muy inteligente”, dijo Fleming. Él dice.
Los investigadores se centraron en una estructura bien estudiada de proteínas en bacterias moradas llamada cosecha ligera 2 (LH2), puede absorber fotones a una determinada longitud de onda.
Usando herramientas especializadas, crearon una fuente de fotones que hizo un par de fotones de un solo fotón de mayor energía usando Límite de conversión espontánea hacia abajo.
Durante el pulso, el primer fotón, llamado «heraldo», fue observado por un detector altamente sensible, lo que indica la llegada del fotón asociado, que interactuó con las moléculas LH2 en una muestra de laboratorio de bacterias púrpuras.
Cuando un fotón de 800 nanómetros de longitud de onda golpea un anillo de moléculas en LH2, la energía pasa a un segundo anillo, que emite fotones fluorescentes de 850 nanómetros de longitud de onda.
En la naturaleza, esta transferencia de energía continuará hasta que comience la fotosíntesis. Encontrar un fotón con una longitud de onda de 850 nanómetros en el laboratorio fue una clara señal de que este proceso había comenzado, especialmente porque las estructuras de LH2 estaban separadas de otras partes de la célula.
El desafío consistía en lidiar con fotones individuales, que son fáciles de perder. Para evitar esto, los científicos utilizaron el fotón como guía.
«Creo que lo primero es que este experimento demostró que en realidad puedes hacer cosas con fotones individuales». Él dice La física química Birgitta Wally de Berkeley. «Así que este es un punto muy importante».
Utilizando un modelo de distribución de probabilidad y un algoritmo informático, el equipo analizó más de 17 700 millones de eventos de detección de fotones y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes.
El análisis exhaustivo significa que los investigadores confían en que los resultados solo se debieron a la absorción de un solo fotón y que ningún otro factor pudo influir.
mucho Búsqueda avanzada Los pasos posteriores de la fotosíntesis involucraron, después de absorber la luz, enviar pulsos de láser ultrarrápidos y potentes a las moléculas fotosintéticas.
“Hay una gran diferencia de intensidad entre los láseres y la luz solar: un rayo láser enfocado típico es un millón de veces más brillante que la luz solar”, dice. Explicar Quanwei Li, físico cuántico e ingeniero de Berkeley.
Al mostrar cómo se comportan los fotones individuales durante la fotosíntesis, esta investigación nos brinda información importante sobre cómo funciona el proceso de conversión de energía de la naturaleza. Las tecnologías de fotosíntesis artificial pueden algún día ser la clave para sobrevivir y prosperar de manera sostenible en el espacio.
«Así como necesitas entender cada partícula para construir una computadora cuántica», dijo Lee. AgregarNecesitamos estudiar las propiedades cuantitativas de los sistemas vivos para comprenderlos verdaderamente y crear sistemas sintéticos eficientes que generen combustibles renovables.
Este estudio fue una oportunidad única para dos campos científicos que normalmente no trabajarían juntos para aplicar y combinar las técnicas de la óptica cuántica y la biología.
“Lo siguiente es, ¿qué más podemos hacer?” Él dice Willie.
«Nuestro objetivo es estudiar la transferencia de energía de fotones individuales a través del complejo de fotosíntesis en las escalas espaciales y temporales más cortas posibles».
Investigación publicada en naturaleza.
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