Розкрийте секрети фотосинтезу

Передовий експеримент виявив квантову динаміку, що лежить в основі одного з найважливіших природних процесів.

Використовуючи комплекс мінеральних пігментів, білків, ферментів і коферментів, фотосинтезуючі організми можуть перетворювати енергію світла в хімічну енергію життя. Дослідження, нещодавно опубліковане в природи Тепер виявлено, що цей природний хімічний процес чутливий до найменшої можливої ​​кількості світла – одиниці Фотон.

Це відкриття покращує наше теперішнє розуміння живих організмів Фотосинтез Це допоможе відповісти на запитання про те, як функціонує життя в найменших масштабах, де зустрічаються квантова фізика та біологія.

“В усьому світі було проведено багато теоретичної та експериментальної роботи, щоб спробувати зрозуміти, що відбувається після поглинання фотона. Але ми зрозуміли, що ніхто не говорив про перший крок”, – сказав Грем Флемінг, співавтор, старший біонауковий співробітник Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Laboratory) і професор хімії Каліфорнійського університету в Берклі: «Це питання все ще потребувало детальної відповіді».

У своєму дослідженні Флемінг, співавтор Біргітта Уейлі, старший науковий співробітник відділу енергетичних наук у лабораторії Берклі, та їхні дослідницькі групи показують, що один фотон справді може ініціювати перший крок фотосинтезу у фотосинтезуючих пурпурових бактеріях. Оскільки всі фотосинтезуючі організми використовують подібні процеси та мають спільного еволюційного предка, команда впевнена, що фотосинтез у рослин і водоростей працює однаково. — Природа винайшла дуже хитрий трюк, — сказав Флемінг.

Як живі системи використовують світло?

Виходячи з того, наскільки ефективно фотосинтез перетворює сонячне світло на молекули, багаті енергією, вчені давно припустили, що для початку реакції достатньо лише одного фотона, оскільки фотони передають енергію електронам, які потім міняються місцями з електронами в різних молекулах, що в кінцевому підсумку призводить до до утворення первинних компонентів для виробництва полісахаридів. Зрештою, сонце не постачає стільки фотонів — лише тисяча фотонів досягає однієї молекули хлорофілу за секунду в сонячний день — і все ж цей процес достовірно відбувається на всій планеті.

Однак «ніхто раніше не підтверджував це припущення доказами», — сказав перший автор Куаньвей Лі, спільний дослідник, який займається розробкою нових експериментальних методів із квантовим світлом у групах Флемінга та Вайлі.

Справу ускладнює те, що велика кількість досліджень, які виявили найдрібніші подробиці про наступні етапи фотосинтезу, була проведена шляхом стимулювання фотосинтетичних молекул потужними надшвидкими лазерними імпульсами.

Співавтор Грем Флемінг (ліворуч) і перший автор Кванві Лі біля частини обладнання, яке використовується в їх передовому експерименті. Авторство: Henry L/Fleming Lab

«Існує величезна різниця в інтенсивності між лазерами та сонячним світлом — типовий сфокусований лазерний промінь у мільйон разів яскравіший за сонячне світло», — сказав Лі. Навіть якби ви могли створити слабкий промінь з інтенсивністю, яка відповідає інтенсивності сонячного світла, це все одно сильно відрізняється через квантові властивості світла, які називаються статистикою фотонів. Він пояснив, що оскільки ніхто не бачив поглинання фотона, ми не знаємо, яка це різниця і який це фотон. «Але так само, як нам потрібно зрозуміти кожну частинку, щоб побудувати квантовий комп’ютер, нам потрібно вивчити квантові властивості живих систем, щоб справді їх зрозуміти, і створити ефективні штучні системи, які генерують відновлюване паливо».

Фотосинтез, як і інші хімічні реакції, спочатку розглядався в сукупній формі, тобто ми знали, якими були загальні входи та виходи, і з цього ми могли зробити висновок, як виглядають взаємодії між окремими молекулами. У 1970-х і 1980-х роках прогрес у технології дозволив вченим безпосередньо вивчати окремі хімічні речовини під час реакцій. Зараз вчені починають дослідження наступний кордонособистість кукурудзаі масштаб субатомних частинок, використовуючи більш просунуті методи.

Від припущення до факту

Розробка експерименту, який би дозволив спостерігати окремі фотони, означала зібрати унікальну команду теоретиків і експериментаторів, які об’єднали передові інструменти з квантової оптики та біології. «Це було новим для людей, які вивчають фотосинтез, оскільки вони зазвичай не використовують ці інструменти, і це було новим для людей, які спеціалізуються на квантовій оптиці, оскільки ми зазвичай не думаємо про застосування цих методів до складних біологічних систем», — сказав Уоллі. , який брав участь у дослідженні. Він також є професором хімічної фізики в Каліфорнійському університеті в Берклі.

Вчені створили джерело фотонів, яке генерує одну пару фотонів за допомогою процесу, який називається автоматичним параметричним перетворенням. Під час кожного імпульсу перший фотон – «вісник» – реєструвався високочутливим детектором, який підтверджував, що другий фотон був на шляху до зібраного зразка світлопоглинаючих молекулярних структур фотосинтезуючих бактерій. Інший фотонний детектор був встановлений біля зразка для вимірювання низькоенергетичного фотона, випромінюваного фотоелектричною структурою після того, як вона поглинула другий фотон-вісник вихідної пари.

Структура, що поглинає світло, використана в експерименті під назвою LH2, була ретельно вивчена. Відомо, що фотони з довжиною хвилі 800 нм поглинаються кільцем з 9 молекул бактеріохлорофілу в LH2, передаючи енергію другому кільцю з 18 молекул бактеріохлорофілу, яке може випромінювати флуоресцентні фотони на 850 нм. У вихідних бактеріях енергія від фотонів продовжує передавати наступним молекулам, поки не буде використана для початку хімії фотосинтезу. Але в експерименті, коли LH2 були відокремлені від інших клітинних механізмів, виявлення 850-нанометрового фотона послужило остаточною ознакою того, що процес був активований.

“Якщо у вас є лише один фотон, його дуже легко втратити. Це була головна складність цього експерименту, тому ми використовуємо Photon Herald”, – сказав Флемінг. Вчені проаналізували понад 17,7 мільярда подій виявлення Photon Herald і 1,6 мільйона події виявлення фотонної флуоресценції, щоб гарантувати, що спостереження можна віднести лише до поглинання одного фотона та що жодні інші фактори не впливають на результати.

“Я думаю, що по-перше, цей експеримент показав, що ви можете робити щось з окремими фотонами. Це дуже важливий момент, – сказав Воллі. – Наступне, що ми можемо зробити? Наша мета — вивчити передачу енергії окремих фотонів через фотосинтетичний комплекс у найкоротшому часовому та просторовому масштабах.

Довідка: «Поглинання та випромінювання одного фотона з природного фотосинтетичного комплексу» Куанвей Лі, Кайдрен Оркатт, Роберт Л. Кук, Хав’єр Сабінес-Честеркінг, Ешлі Л. Тонг, Габріела С. Шлау-Коен, Сян Чжан, Грем Р. Флемінг і К. . Біргітта Воллі, 14 червня 2023 р. природи.
doi: 10.1038/s41586-023-06121-5