Usando um elenco complexo de pigmentos, proteínas, enzimas e co-enzimas, organismos fotossintéticos podem converter a energia na luz química para a vida. E agora, graças a Um estudo publicado hoje em NaturezaSabemos que essa reação química orgânica é sensível à menor quantidade de luz possível – um único fóton.
A descoberta solidifica nossa compreensão atual da fotossíntese e ajudará a responder perguntas sobre como a vida funciona na menor escala, onde a física quântica e a biologia se encontram.
“Uma enorme quantidade de trabalho, teórica e experimentalmente, foi feita em todo o mundo tentando entender o que acontece depois que um fóton é absorvido. Mas percebemos que ninguém estava falando sobre o primeiro passo. Essa ainda period uma pergunta que precisava ser respondida em detalhes ”, disse o co-autor Graham Fleming, cientista sênior do corpo docente da área de Biosciences no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e professor de química da UC Berkeley.
Em seu estudo, Fleming, co-líder, o autor Birgitta Whaley, um cientista sênior do corpo docente na área de ciências da energia do laboratório de Berkeley, e seus grupos de pesquisa mostraram que um único fóton pode realmente iniciar o primeiro passo da fotossíntese em bactérias roxas fotossintéticas. Como todos os organismos fotossintéticos usam processos semelhantes e compartilham um ancestral evolutivo, a equipe está confiante de que a fotossíntese em plantas e algas funciona da mesma maneira. “A natureza inventou um truque muito inteligente”, disse Fleming.
Como os sistemas vivos usam luz
Com base na eficiência da fotossíntese na conversão da luz photo voltaic em moléculas ricas em energia, os cientistas há muito assumiram que um único fóton period o suficiente para iniciar a reação, em que os fótons passam energia para elétrons que então negociam lugares com elétrons em diferentes moléculas, eventualmente criando os ingredientes precursores para a produção de açúcares. Afinal, o sol não fornece tantos fótons – apenas mil fótons chegam a uma única molécula de clorofila por segundo em um dia ensolarado -, mas o processo ocorre de maneira confiável em todo o planeta.
No entanto, “ninguém jamais apoiou essa suposição com uma demonstração”, disse o primeiro autor Quanwei Li, um pesquisador de pós -doutorado conjunto que desenvolve novas técnicas experimentais com luz quântica nos grupos de Fleming e Whaley.
E, complicando ainda mais as questões, uma grande parte da pesquisa que desvendou detalhes precisos sobre as etapas posteriores da fotossíntese foi realizada desencadeando moléculas fotossintéticas com pulsos de laser poderosos e ultra-rápidos.
“Há uma enorme diferença de intensidade entre um laser e a luz do sol – um feixe de laser focado típico é um milhão de vezes mais brilhante que a luz photo voltaic”, disse Li. Mesmo se você conseguir produzir um feixe fraco com uma intensidade que corresponda à da luz photo voltaic, eles ainda são muito diferentes devido a propriedades quânticas da luz chamadas estatísticas de fótons. Como ninguém viu o fóton ser absorvido, não sabemos que diferença faz que tipo de fóton é, ele explicou.
“Mas, assim como você precisa entender cada partícula para construir um computador quântico, precisamos estudar as propriedades quânticas dos sistemas vivos para realmente entendê -los e fazer sistemas artificiais eficientes que geram combustíveis renováveis”.
– Quanwei Li
A fotossíntese, como outras reações químicas, foi entendida pela primeira vez a granel – o que significa que sabíamos como eram as entradas e saídas gerais e, a partir disso, poderíamos inferir quais interações entre moléculas individuais podem ser. Nas décadas de 1970 e 80, os avanços na tecnologia permitiram aos cientistas estudar diretamente produtos químicos individuais durante as reações. Agora, os cientistas estão começando a Discover a próxima fronteirao átomo particular person e a escala de partículas subatômicas, usando tecnologias ainda mais avançadas.
Da suposição ao fato
Projetar um experimento que permitiria a observação de fótons individuais significava reunir uma equipe única de teóricos e experimentalistas que combinavam ferramentas de ponta da óptica quântica e biologia. “Period novo para pessoas que estudam a fotossíntese, porque normalmente não usam essas ferramentas, e period novo para pessoas na óptica quântica, porque normalmente não pensamos em aplicar essas técnicas a sistemas biológicos complexos”, disse Whaley, que também é professor de física química da UC Berkeley.
Os cientistas configuram uma fonte de fótons que gera um único par de fótons através de um processo chamado conversão espontânea paramétrica. Durante cada pulso, o primeiro fóton – “The Herald” – foi observado com um detector altamente sensível, que confirmou que o segundo fóton estava a caminho da amostra montada de estruturas moleculares absorventes de luz retiradas de bactérias fotossintéticas. Outro detector de fótons próximo à amostra foi configurado para medir o fóton de menor energia que é emitido pela estrutura fotossintética depois de absorver o segundo fóton “anunciado” do par authentic.
A estrutura de absorção de luz usada no experimento, chamada LH2, foi estudada extensivamente. Sabe -se que os fótons no comprimento de onda de 800 nanômetro (NM) são absorvidos por um anel de 9 moléculas de bacterioclorofila em LH2, fazendo com que a energia seja passada para um segundo anel de 18 moléculas de bacterioclorofila que podem emitir fótons fluorescentes em 850 NM. Nas bactérias nativas, a energia dos fótons continuaria se transferindo para moléculas subsequentes até que seja usada para iniciar a química da fotossíntese. Mas no experimento, quando os LH2s foram separados de outras máquinas celulares, a detecção do fóton de 850 nm serviu como sinal definitivo de que o processo havia sido ativado.
