Tijdens fotosynthese zet een symfonie van chemicaliën licht om in energie die nodig is voor planten, algen en sommige bacteriën. Wetenschappers weten nu dat deze opmerkelijke reactie zo min mogelijk licht nodig heeft – slechts één Foton – beginnen met.
Een team van Amerikaanse onderzoekers in kwantumoptica en biologie heeft aangetoond dat een enkel foton kan starten Fotosynthese in paarse bacteriën Rhodobacter spiroidenen ze zijn ervan overtuigd dat het werkt in planten en algen omdat alle fotosynthetische organismen een evolutionaire voorouder en vergelijkbare processen delen.
Het team zegt dat hun bevindingen onze kennis van fotosynthese vergroten en zullen leiden tot een beter begrip van de kruising van kwantumfysica in een breed scala van complexe biologische, chemische en fysische systemen, waaronder hernieuwbare brandstoffen.
“Er is enorm veel werk verzet, theoretisch en experimenteel, over de hele wereld om te proberen te begrijpen wat er gebeurt nadat een foton is geabsorbeerd,” Hij zegt Graham Fleming, een biochemicus aan de University of California, Berkeley.
“Maar we realiseerden ons dat niemand het had over de eerste stap. Dit was een vraag die nog een gedetailleerd antwoord nodig had.”
chlorofyl Moleculen ontvangen fotonen van de zon, waardoor een elektron in chlorofyl wordt geëxciteerd, en worden doorgegeven aan verschillende moleculen om de bouwstenen van suiker te vormen, die planten voedsel geeft en zuurstof afgeeft.
De zon overlaadt ons niet met heel veel fotonen – op een zonnige dag bereiken slechts ongeveer 1000 fotonen elke seconde een chlorofylmolecuul – dus de efficiëntie van fotosynthese bij het benutten van zonlicht om energierijke moleculen te produceren, heeft ertoe geleid dat wetenschappers geloven dat een enkele foton kan deze reactie starten.
“De natuur heeft een heel slimme truc bedacht”, zei Fleming Hij zegt.
De onderzoekers richtten zich op een goed bestudeerde structuur van eiwitten in paarse bacteriën genaamd lichte oogst 2 (LH2), kan het fotonen absorberen bij een bepaalde golflengte.
Met behulp van gespecialiseerde hulpmiddelen creëerden ze een fotonenbron die een paar fotonen maakte van een enkel foton met hogere energie Limiet spontane conversie naar beneden.
Tijdens de puls werd het eerste foton, de “herald” genoemd, waargenomen door een zeer gevoelige detector, wat de aankomst van het partnerfoton aangeeft, dat interageerde met LH2-moleculen in een laboratoriummonster van paarse bacteriën.
Wanneer een foton met een golflengte van 800 nanometer een ring van moleculen in LH2 raakt, gaat de energie naar een tweede ring, die fluorescerende fotonen met een golflengte van 850 nanometer afgeeft.
In de natuur gaat deze energieoverdracht door totdat de fotosynthese begint. Het vinden van een foton met een golflengte van 850 nanometer in het lab was een duidelijk teken dat dit proces was begonnen, vooral omdat de structuren van LH2 gescheiden waren van andere delen van de cel.
De uitdaging was het omgaan met enkele fotonen, die gemakkelijk verloren gaan. Om dit te omzeilen, gebruikten de wetenschappers het bakenfoton als leidraad.
“Ik denk dat het eerste is dat dit experiment heeft aangetoond dat je echt dingen kunt doen met individuele fotonen,” Hij zegt Chemisch fysicus Birgitta Wally uit Berkeley. “Dus dit is een heel belangrijk punt.”
Met behulp van een kansverdelingsmodel en een computeralgoritme analyseerde het team meer dan 17,7 miljard fotonendetectiegebeurtenissen en 1,6 miljoen fluorescerende fotonendetectiegebeurtenissen.
De uitgebreide analyse betekent dat de onderzoekers er zeker van zijn dat de resultaten alleen te danken zijn aan de absorptie van een enkel foton en dat geen andere factoren van invloed kunnen zijn.
veel Uitgebreid zoeken De daaropvolgende fotosynthesestappen omvatten, na het absorberen van het licht, het sturen van krachtige, ultrasnelle laserpulsen naar de fotosynthetische moleculen.
“Er is een enorm verschil in intensiteit tussen lasers en zonlicht – een typische gefocuste laserstraal is een miljoen keer helderder dan zonlicht”, zegt hij. Uitleggen Quanwei Li, een kwantumfysicus en ingenieur uit Berkeley.
Door te laten zien hoe individuele fotonen zich gedragen tijdens fotosynthese, geeft dit onderzoek ons belangrijke informatie over hoe het energieconversieproces van de natuur werkt. Kunstmatige fotosynthesetechnologieën kunnen op een dag de sleutel zijn om duurzaam te overleven en te gedijen in de ruimte.
“Net zoals je elk deeltje moet begrijpen om een kwantumcomputer te bouwen,” zei Lee ToevoegenWe moeten de kwantitatieve eigenschappen van levende systemen bestuderen om ze echt te begrijpen en efficiënte synthetische systemen te creëren die hernieuwbare brandstoffen genereren.
Deze studie was een unieke kans voor twee wetenschapsgebieden die normaal niet zouden samenwerken om de technieken van kwantumoptica en biologie toe te passen en te combineren.
“Het volgende is, wat kunnen we nog meer doen?” Hij zegt Willy.
“Ons doel is om de energieoverdracht van individuele fotonen door het fotosynthesecomplex op de kortst mogelijke ruimtelijke en temporele schaal te bestuderen.”
Onderzoek gepubliceerd in natuur.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
