Leva apenas um fóton: ScienceAlert

Durante a fotossíntese, uma sinfonia de produtos químicos converte a luz em energia necessária para plantas, algas e algumas bactérias. Os cientistas agora sabem que essa reação notável requer a menor quantidade de luz possível – apenas uma Fóton – começar com.

Uma equipe de pesquisadores americanos em óptica quântica e biologia mostrou que um único fóton pode começar Fotossíntese em bactérias roxas Rhodobacter spiroidese eles estão confiantes de que funciona em plantas e algas porque todos os organismos fotossintéticos compartilham um ancestral evolutivo e processos semelhantes.

A equipe diz que suas descobertas avançam nosso conhecimento da fotossíntese e levarão a uma melhor compreensão da interseção da física quântica em uma ampla gama de sistemas biológicos, químicos e físicos complexos, incluindo combustíveis renováveis.

“Uma enorme quantidade de trabalho foi feito, teórico e experimental, em todo o mundo tentando entender o que acontece depois que um fóton é absorvido,” Ele diz Graham Fleming, bioquímico da Universidade da Califórnia, Berkeley.

“Mas percebemos que ninguém estava falando sobre o primeiro passo. Essa era uma pergunta que ainda precisava de uma resposta detalhada.”

clorofila Moléculas recebem fótons do sol, por meio dos quais um elétron na clorofila fica excitado e são passados ​​para diferentes moléculas para formar os blocos de construção do açúcar, que dá alimento às plantas e libera oxigênio.

O sol não nos cobre com muitos fótons – em um dia ensolarado, apenas cerca de 1.000 fótons atingem uma molécula de clorofila a cada segundo – então a eficiência da fotossíntese em aproveitar a luz solar para produzir moléculas ricas em energia levou os cientistas a acreditar que um único fóton pode iniciar esta reação.

“A natureza inventou um truque muito inteligente”, disse Fleming Ele diz.

Os pesquisadores se concentraram em uma estrutura bem estudada de proteínas em bactérias roxas chamadas colheita leve 2 (LH2), pode absorver fótons em um determinado comprimento de onda.

Usando ferramentas especializadas, eles criaram uma fonte de fótons que produzia um par de fótons a partir de um único fóton de maior energia usando Limite de conversão espontânea baixo.

Durante o pulso, o primeiro fóton, chamado de “arauto”, foi observado por um detector altamente sensível, indicando a chegada do fóton parceiro, que interagiu com moléculas de LH2 em uma amostra de laboratório de bactérias roxas.

Quando um fóton de comprimento de onda de 800 nanômetros atingiu um anel de moléculas em LH2, a energia foi para um segundo anel, que emitiu fótons fluorescentes de comprimento de onda de 850 nanômetros.

Na natureza, essa transferência de energia continuará até que a fotossíntese comece. Encontrar um fóton com comprimento de onda de 850 nanômetros no laboratório foi um sinal claro de que esse processo havia começado, especialmente porque as estruturas de LH2 estavam separadas de outras partes da célula.

O desafio era lidar com fótons únicos, que são fáceis de perder. Para contornar isso, os cientistas usaram o fóton como guia.

“Acho que a primeira coisa é que esse experimento mostrou que você pode realmente fazer coisas com fótons individuais”, disse. Ele diz A física química Birgitta Wally, de Berkeley. “Portanto, este é um ponto muito importante.”

Usando um modelo de distribuição de probabilidade e um algoritmo de computador, a equipe analisou mais de 17,7 bilhões de eventos de detecção de fótons e 1,6 milhão de eventos de detecção de fótons fluorescentes.

A análise abrangente significa que os pesquisadores estão confiantes de que os resultados foram devidos apenas à absorção de um único fóton e que nenhum outro fator poderia ter influência.

um monte de Pesquisa avançada As etapas subsequentes da fotossíntese envolveram, após a absorção da luz, o envio de pulsos de laser ultrarrápidos e poderosos para as moléculas fotossintéticas.

“Existe uma enorme diferença de intensidade entre os lasers e a luz do sol – um típico feixe de laser focado é um milhão de vezes mais brilhante que a luz do sol”, diz ele. Explicar Quanwei Li, um físico quântico e engenheiro de Berkeley.

Ao mostrar como os fótons individuais se comportam durante a fotossíntese, esta pesquisa nos fornece informações importantes sobre como funciona o processo de conversão de energia da natureza. As tecnologias de fotossíntese artificial podem um dia ser a chave para sobreviver de forma sustentável e prosperar no espaço.

“Assim como você precisa entender cada partícula para construir um computador quântico”, disse Lee AdicionarPrecisamos estudar as propriedades quantitativas dos sistemas vivos para entendê-los verdadeiramente e criar sistemas sintéticos eficientes que gerem combustíveis renováveis.

Este estudo foi uma oportunidade única para duas áreas científicas que normalmente não trabalhariam juntas para aplicar e combinar as técnicas de óptica quântica e biologia.

“A próxima coisa é, o que mais podemos fazer?” Ele diz Willie.

“Nosso objetivo é estudar a transferência de energia de fótons individuais através do complexo de fotossíntese nas escalas espaciais e temporais mais curtas possíveis.”

Pesquisa publicada em natureza.