Fotosintētiskie organismi, izmantojot sarežģītus bioķīmiskos procesus, pārvērš gaismas enerģiju ķīmiskā enerģijā, kas uztur dzīvību. Nesenais pētījums apstiprināja, ka šo mijiedarbību var ierosināt viena fotona absorbcija, savienojot kvantu fizikas un bioloģijas jomas. Kredīts: Jenny Noss / Berkeley Lab
Progresīvs eksperiments ir atklājis kvantu dinamiku, kas ir viena no svarīgākajiem dabas procesiem.
Izmantojot kompleksu pigmentu, proteīnu, enzīmu un koenzīmu veidni, fotosintētiskie organismi var pārvērst gaismas enerģiju ķīmiskā enerģijā dzīvībai. Nesen publicēts pētījums dabu Tagad ir atklāts, ka šis dabiskais ķīmiskais process ir jutīgs pret mazāko iespējamo gaismas daudzumu – visu uzreiz Fotons.
Šis atklājums uzlabo mūsu pašreizējo izpratni par Fotosintēze Un tas palīdzēs atbildēt uz jautājumiem par to, kā dzīve darbojas mazākajos mērogos, kur satiekas kvantu fizika un bioloģija.
“Visā pasaulē ir paveikts milzīgs darbs gan teorētiski, gan eksperimentāli, mēģinot saprast, kas notiek pēc fotonu absorbcijas. Taču mēs sapratām, ka neviens nerunāja par pirmo soli,” sacīja vadošais autors Greiems Flemings, vecākais mācībspēks. zinātnieks zinātnē. Biologs Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) un ķīmijas profesors Kalifornijas Universitātē, Bērklijā, “Šim jautājumam joprojām bija nepieciešama detalizēta atbilde.”
Savā pētījumā Flemings, līdzautore Birgitta Wally, Berkeley laboratorijas enerģētikas zinātņu vecākā zinātniece, un viņu pētniecības grupas liecina, ka viens fotons patiešām var ierosināt pirmo fotosintēzes soli violeti fotosintēzes baktērijās. Tā kā visi fotosintēzes organismi izmanto līdzīgus procesus un tiem ir kopīgs evolūcijas priekštecis, komanda ir pārliecināta, ka fotosintēze augos un aļģēs darbojas vienādi. “Daba ir izgudrojusi ļoti gudru triku,” sacīja Flemings.
Kā dzīvās sistēmas izmanto gaismu?
Pamatojoties uz to, cik efektīvi fotosintēze pārvērš saules gaismu ar enerģiju bagātās molekulās, zinātnieki jau sen ir izvirzījuši hipotēzi, ka reakcijas sākšanai ir nepieciešams tikai viens fotons. Fotoni nodod enerģiju elektroniem, kas pēc tam tirgojas ar elektroniem dažādās molekulās, kā rezultātā veidojas galvenās sastāvdaļas cukuru ražošanā. Galu galā saule nepiegādā tik daudz fotonu — saulainā dienā tikai tūkstotis fotonu ir viena hlorofila molekula sekundē — un tomēr process notiek uzticami visā planētā.
Tomēr “neviens nekad nav atbalstījis šo pieņēmumu ar demonstrāciju,” sacīja pirmais autors Quanwei Li, kopīgais pēcdoktorantūras pētnieks, kurš Fleminga un Whaley grupās izstrādāja jaunas eksperimentālās metodes ar kvantu gaismu.
Lai situāciju vēl vairāk sarežģītu, liels skaits pētījumu, kas atklāja sīkas detaļas par vēlākajiem fotosintēzes posmiem, ir veikti, stimulējot fotosintēzes molekulas ar spēcīgiem, īpaši ātriem lāzera impulsiem.
Līdzautors Greiems Flemings pa kreisi un pirmais autors Kvanvejs Li netālu no aprīkojuma, ko izmantoja viņu visprogresīvākajos eksperimentos. Kredīts: Henry Lam / Fleming Lab
“Lāzeriem un saules gaismai ir milzīga intensitātes atšķirība — tipisks fokusēts lāzera stars ir miljons reižu spilgtāks par saules gaismu,” viņš man teica. Pat ja jūs varētu radīt vāju staru kūli ar tādu pašu intensitāti kā saules gaismai, tas joprojām būtu ļoti atšķirīgs gaismas kvantu īpašību dēļ, ko sauc par fotonu statistiku. Viņš paskaidroja, ka, tā kā neviens nekad nav redzējis, ka fotons tiek absorbēts, mēs nezinām, kāda ir atšķirība un kāda veida fotons tas ir. “Bet tāpat kā jums ir jāsaprot katra daļiņa, lai izveidotu kvantu datoru, mums ir jāizpēta dzīvo sistēmu kvantu īpašības, lai tās patiešām izprastu, un jāizveido efektīvas mākslīgās sistēmas, kas rada atjaunojamo degvielu.”
Fotosintēze, tāpat kā citas ķīmiskās reakcijas, vispirms tika saprasta apkopotā veidā – tas nozīmē, ka mēs zinājām, kādi ir vispārējie ievadi un izvadi, un no tā mēs varējām secināt, kā izskatās mijiedarbība starp atsevišķām molekulām. 1970. un 1980. gados tehnoloģiju attīstība ļāva zinātniekiem reakciju laikā tieši pētīt atsevišķas ķīmiskas vielas. Tagad zinātnieki sāk pētīt šādi ierobežojumiindivīds kukurūzaun subatomisko daļiņu skalu, izmantojot progresīvākas metodes.
No pieņēmuma līdz faktam
Eksperimenta izstrāde, kas ļauj novērot atsevišķus fotonus, nozīmēja apvienot unikālu teorētiķu un eksperimentētāju komandu, kas apvienoja modernākos kvantu optikas un bioloģijas instrumentus. teica Volijs, kurš ir arī ķīmiskās fizikas profesors UC Berkeley.
Zinātnieki ir izveidojuši fotonu avotu, kas ģenerē vienu fotonu pāri, izmantojot procesu, ko sauc par spontānu lejupvērstu konversiju. Katra impulsa laikā pirmo fotonu – “vēstnesi” – novēroja ļoti jutīgs detektors, kas apstiprināja, ka otrais fotons bija ceļā uz savākto fotosintētisko baktēriju gaismu absorbējošo molekulāro struktūru paraugu. Pie parauga tika uzstādīts vēl viens fotonu detektors, lai izmērītu zemas enerģijas fotonu, ko izstaro fotosintētiskā struktūra pēc tam, kad tas absorbēja otro fotonu no sākotnējā pāra.
Eksperimentā ar nosaukumu LH2 izmantotā gaismu absorbējošā struktūra ir plaši pētīta. Ir zināms, ka fotonus, kuru garums ir 800 nanometri (nm), absorbē 9 baktēriju hlorofila molekulu gredzens LH2, izraisot enerģijas pāreju uz otru gredzenu, kurā ir 18 baktēriju hlorofila molekulas, kas var izstarot fluorescējošus fotonus pie 850 nm. Sākotnējās baktērijās enerģija no fotoniem turpinās pāriet uz nākamajām molekulām, līdz tās tiks izmantotas, lai sāktu fotosintēzes ķīmiju. Taču eksperimentā, kad LH2 tika atdalīts no citām šūnu iekārtām, 850 nm fotona noteikšana bija galīga zīme, ka process ir aktivizēts.
“Ja jums ir tikai viens fotons, to ir ļoti viegli pazaudēt. Tā bija šī eksperimenta galvenā grūtība, un tāpēc mēs izmantojām fotonu,” sacīja Flemings. Zinātnieki analizēja vairāk nekā 17, 7 miljardus fotonu noteikšanas notikumu un 1, 6 miljonus fluorescences fotonu noteikšanas notikumu, lai nodrošinātu, ka novērojumus var attiecināt tikai uz viena fotona absorbciju un ka citi faktori neietekmēja rezultātus.
“Es domāju, ka pirmā lieta ir tāda, ka šis eksperiments parādīja, ka jūs patiešām varat darīt lietas ar atsevišķiem fotoniem. Tas ir ļoti, ļoti svarīgs punkts,” sacīja Volijs. “Nākamā lieta ir, ko mēs vēl varam darīt? Mūsu mērķis ir izpētīt atsevišķu fotonu enerģijas pārnesi caur fotosintētisko kompleksu pēc iespējas īsākā laika un telpiskā mērogā.”
Atsauce: Quanui Li, Kedren Orcutt, Robert L. Cook, Havier Sabens-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang un Graham “Viena fotona absorbcija un emisija ar dabīgu fotonisku savienojumu” R. Flemings un K. Birgita Volija, 2023. gada 14. jūnijs, pieejams šeit. dabu.
DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5
