por Rebecca Dyer
no publicado Alerta científica
Durante la fotosíntesis, una sinfonía de productos químicos convierte la luz en la energía que necesitan las plantas, las algas y ciertas bacterias. Los científicos ahora saben que esta notable reacción requiere la menor cantidad de luz posible, apenas una sola. fotón – comenzar
Un equipo estadounidense de investigadores en óptica cuántica y biología ha demostrado que un solo fotón puede iniciar tomar fotos sentarse bacterias fotosintéticas rojas, como Rhodobacter sphaeroidesy están convencidos de que el proceso también funciona en plantas y algas, ya que todos los organismos fotosintéticos comparten ascendencia y procesos evolutivos similares.
El equipo dice que sus hallazgos mejoran nuestro conocimiento de la fotosíntesis y conducen 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 hecho mucho trabajo, tanto teórico como experimental, en todo el mundo para tratar de entender qué sucede después de la absorción de un fotón», dicho Graham Fleming, bioquímico de la Universidad de California, Berkeley.
“Pero nos damos cuenta de que nadie hablaba de la primera etapa. Esta era otra pregunta que necesitaba ser respondida en detalle.
Moléculas de clorofila Recibimos fotones del Sol, donde se excita el electrón de la clorofila, saltando sobre diferentes moléculas para formar los componentes básicos del azúcar, dando alimento a las plantas y liberando oxígeno.
El Sol no nos carga con una cantidad excesivamente generosa de fotones: en un día soleado, solo unos 1000 fotones golpean 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 requiere que los científicos demuestren que un solo fotón podría iniciar esta reacción.
«La naturaleza ha inventado un truco muy ingenioso», dicho Flamenco.
Los investigadores se centrarán en una estructura bien estudiada de proteínas en bacterias rojas, llamada complejo perla luminosa 2 (LH2), que puede absorber fotones en una cierta compresión de onda.
Usando herramientas especializadas, crearon una fuente de fotones que produce un par de fotones a partir de un fotón de mayor energía usando contrareversión paramétrica espontáneo.
Durante un pulso, el primer fotón, llamado «o arauto», fue observado con un detector muy sensible, señalando el impacto de su fotón asociado, que interactuó con moléculas LH2 en una muestra de laboratorio de bacterias rojas.
Cuando un fotón con una onda de compresión de 800 nanómetros golpea un anillo de moléculas en LH2, la energía era para un segundo anillo, que emitía fotones fluorescentes con una onda de compresión de 850 nanómetros.
En la naturaleza, esta transferencia de energía continuaría hasta el inicio del proceso fotosintético. Encontrar un fotón con una compresión de onda de 850 nanómetros en el laboratorio fue una clara señal de que este proceso había comenzado, especialmente porque las estructuras LH2 estaban separadas de otras partes de la célula.
El desafío consistía en gestionar fotones individuales, que son fáciles de perder. Para eludir esto, los científicos utilizarán un fotón como guía.
«Me alegro de que la primera vez que vi este experimento mostró que realmente se pueden hacer cosas con fotos individuales». dicho a la física química Birgitta Whaley de Berkeley. «Así que ese es un punto muy, 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 automática de fotones y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes.
Un análisis completo significa que los investigadores confían en que los resultados solo fueron causados por la absorción de un solo fotón y que ningún otro factor podría haber tenido un efecto.
Gran parte da encuesta anterior Realiza los pasos finales de la fotosíntesis después de la absorción de la luz, lo que implica la entrega de pulsos de láser ultrarrápidos y potentes a las moléculas fotosintéticas.
«Hay una gran diferencia de intensidad entre un láser y la luz solar: un rayo láser enfocado típico es mil veces más brillante que la luz solar». Explicar Quanwei Li, físico cuántico e ingeniero de Berkeley.
Al demostrar 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. técnicas de fotosíntesis artificial algún día podemos ser la clave para sobrevivir y prosperar de forma sostenible en el espacio.
«Así como tienes que entender cada partícula para construir un computadora cuántica ”, aumentar Li, «necesitamos estudiar las propiedades cuánticas de dos sistemas vivos para comprenderlos verdaderamente y crear sistemas artificiales eficientes que generen combustibles renovables».
Este estudio fue una oportunidad única para dos campos científicos que no suelen trabajar juntos para aplicar y combinar técnicas de la óptica cuántica y la biología.
«Lo siguiente es, ¿qué más podemos hacer?» dicho Ballena.
«Nuestro objetivo es estudiar la transferencia de energía de fotones individuales a través del complejo fotosintético en las escalas espaciales y temporales más cortas posibles».
La encuesta fue publicada en Naturaleza.