Au cours de la photosynthèse, une symphonie de produits chimiques convertit la lumière en énergie nécessaire aux plantes, aux algues et à certaines bactéries. Les scientifiques savent maintenant que cette réaction remarquable nécessite le moins de lumière possible – une seule Photon – pour commencer.
Une équipe de chercheurs américains en optique et biologie quantiques a montré qu’un seul photon peut déclencher Photosynthèse dans les bactéries violettes Rhodobacter spiroïdeset ils sont convaincus que cela fonctionne dans les plantes et les algues car tous les organismes photosynthétiques partagent un ancêtre évolutif et des processus similaires.
L’équipe affirme que leurs découvertes font progresser nos connaissances sur la photosynthèse et conduiront à une meilleure compréhension de l’intersection de la physique quantique dans un large éventail de systèmes biologiques, chimiques et physiques complexes, y compris les carburants renouvelables.
« Une énorme quantité de travail a été fait, théorique et expérimental, dans le monde entier pour essayer de comprendre ce qui se passe après l’absorption d’un photon », Il dit Graham Fleming, biochimiste à l’Université de Californie à Berkeley.
« Mais nous avons réalisé que personne ne parlait de la première étape. C’était une question qui nécessitait encore une réponse détaillée. »
chlorophylle Les molécules reçoivent des photons du soleil, par lesquels un électron dans la chlorophylle devient excité, et sont transmis à différentes molécules pour former les éléments constitutifs du sucre, qui donne de la nourriture aux plantes et libère de l’oxygène.
Le soleil ne nous inonde pas de très nombreux photons – lors d’une journée ensoleillée, seuls environ 1 000 photons atteignent une molécule de chlorophylle chaque seconde – donc l’efficacité de la photosynthèse à exploiter la lumière du soleil pour produire des molécules riches en énergie a conduit les scientifiques à croire qu’un seul photon peut déclencher cette réaction.
« La nature a inventé une astuce très astucieuse », a déclaré Fleming Il dit.
Les chercheurs se sont concentrés sur une structure bien étudiée des protéines des bactéries violettes appelées récolte légère 2 (LH2), il peut absorber des photons à une certaine longueur d’onde.
À l’aide d’outils spécialisés, ils ont créé une source de photons qui a fait une paire de photons à partir d’un seul photon d’énergie plus élevée en utilisant Limite de conversion spontanée réduite.
Pendant l’impulsion, le premier photon, appelé le « héraut », a été observé par un détecteur très sensible, indiquant l’arrivée du photon partenaire, qui a interagi avec les molécules de LH2 dans un échantillon de laboratoire de bactéries violettes.
Lorsqu’un photon d’une longueur d’onde de 800 nanomètres a frappé un anneau de molécules dans LH2, l’énergie est allée à un deuxième anneau, qui a émis des photons fluorescents d’une longueur d’onde de 850 nanomètres.
Dans la nature, ce transfert d’énergie se poursuivra jusqu’au début de la photosynthèse. La découverte d’un photon d’une longueur d’onde de 850 nanomètres en laboratoire était un signe clair que ce processus avait commencé, d’autant plus que les structures de LH2 étaient séparées des autres parties de la cellule.
Le défi était de traiter avec des photons uniques, qui sont faciles à perdre. Pour contourner ce problème, les scientifiques ont utilisé le photon comme guide.
« Je pense que la première chose est que cette expérience a montré que vous pouvez réellement faire des choses avec des photons individuels », Il dit Physicienne chimiste Birgitta Wally de Berkeley. « C’est donc un point très important. »
À l’aide d’un modèle de distribution de probabilité et d’un algorithme informatique, l’équipe a analysé plus de 17,7 milliards d’événements de détection de photons et 1,6 million d’événements de détection de photons fluorescents.
L’analyse complète signifie que les chercheurs sont convaincus que les résultats n’étaient dus qu’à l’absorption d’un seul photon et qu’aucun autre facteur ne pouvait avoir d’influence.
Beaucoup de Recherche avancée Les étapes de photosynthèse suivantes consistaient, après absorption de la lumière, à envoyer des impulsions laser puissantes et ultrarapides aux molécules photosynthétiques.
« Il y a une énorme différence d’intensité entre les lasers et la lumière du soleil – un faisceau laser focalisé typique est un million de fois plus lumineux que la lumière du soleil », dit-il. Expliquer Quanwei Li, physicien quantique et ingénieur de Berkeley.
En montrant comment les photons individuels se comportent pendant la photosynthèse, cette recherche nous donne des informations importantes sur le fonctionnement du processus de conversion d’énergie de la nature. Les technologies de photosynthèse artificielle pourraient un jour être la clé d’une survie et d’une prospérité durables dans l’espace.
« Tout comme vous devez comprendre chaque particule pour construire un ordinateur quantique », a déclaré Lee. AjouterNous devons étudier les propriétés quantitatives des systèmes vivants pour vraiment les comprendre et créer des systèmes synthétiques efficaces qui génèrent des carburants renouvelables.
Cette étude a été une occasion unique pour deux domaines scientifiques qui ne travailleraient normalement pas ensemble d’appliquer et de combiner les techniques de l’optique quantique et de la biologie.
« La prochaine chose est, que pouvons-nous faire d’autre? » Il dit Willi.
« Notre objectif est d’étudier le transfert d’énergie des photons individuels à travers le complexe de photosynthèse sur les échelles spatiales et temporelles les plus courtes possibles. »
Recherche publiée dans nature.
