Es braucht nur ein Photon: ScienceAlert

Bei der Photosynthese wandelt eine Symphonie von Chemikalien Licht in Energie um, die für das Leben von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien benötigt wird. Wissenschaftler wissen jetzt, dass diese bemerkenswerte Reaktion möglichst wenig Licht erfordert – nur eine Photon – zunächst.

Ein Team amerikanischer Forscher aus den Bereichen Quantenoptik und Biologie hat gezeigt, dass ein einzelnes Photon starten kann Photosynthese in Purpurbakterien Rhodobacter spiroidesund sie sind zuversichtlich, dass es bei Pflanzen und Algen funktioniert, da alle photosynthetischen Organismen einen evolutionären Vorfahren und ähnliche Prozesse haben.

Das Team sagt, dass ihre Ergebnisse unser Wissen über die Photosynthese erweitern und zu einem besseren Verständnis der Schnittstelle der Quantenphysik in einer Vielzahl komplexer biologischer, chemischer und physikalischer Systeme, einschließlich erneuerbarer Kraftstoffe, führen werden.

„Weltweit wurde eine enorme Menge theoretischer und experimenteller Arbeit geleistet, um zu verstehen, was passiert, nachdem ein Photon absorbiert wurde.“ sagen Graham Fleming, Biochemiker an der University of California, Berkeley.

„Aber uns wurde klar, dass niemand über den ersten Schritt sprach. Das war eine Frage, die noch einer detaillierten Antwort bedarf.“

Chlorophyll Moleküle empfangen Photonen von der Sonne, wodurch ein Elektron im Chlorophyll angeregt wird, und werden an verschiedene Moleküle weitergegeben, um die Bausteine ​​des Zuckers zu bilden, der Pflanzen Nahrung liefert und Sauerstoff freisetzt.

Die Sonne überschüttet uns nicht mit sehr vielen Photonen – an einem sonnigen Tag erreichen nur etwa 1.000 Photonen pro Sekunde ein Chlorophyllmolekül Photon kann diese Reaktion starten.

„Die Natur hat einen sehr cleveren Trick erfunden“, sagte Fleming sagen.

Die Forscher konzentrierten sich auf eine gut untersuchte Struktur von Proteinen in sogenannten Purpurbakterien leichte Ernte 2 (LH2) kann es Photonen einer bestimmten Wellenlänge absorbieren.

Mit speziellen Werkzeugen erstellten sie eine Photonenquelle, die aus einem einzelnen Photon höherer Energie ein Photonenpaar erzeugte Spontane Konvertierungsgrenze gesenkt.

Während des Pulses wurde das erste Photon, „Herold“ genannt, von einem hochempfindlichen Detektor beobachtet, was die Ankunft des Partnerphotons anzeigte, das mit LH2-Molekülen in einer Laborprobe von Purpurbakterien interagierte.

Wenn ein Photon mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern auf einen Molekülring in LH2 traf, ging die Energie an einen zweiten Ring, der fluoreszierende Photonen mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern abgab.

In der Natur wird dieser Energietransfer fortgesetzt, bis die Photosynthese beginnt. Der Fund eines Photons mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern im Labor war ein klares Zeichen dafür, dass dieser Prozess begonnen hatte, insbesondere da die Strukturen von LH2 von anderen Teilen der Zelle getrennt waren.

Die Herausforderung bestand darin, mit einzelnen Photonen umzugehen, die leicht verloren gehen können. Um dies zu umgehen, nutzten die Wissenschaftler das Photon als Orientierungshilfe.

„Ich denke, das Erste ist, dass dieses Experiment gezeigt hat, dass man mit einzelnen Photonen tatsächlich Dinge machen kann.“ sagen Chemische Physikerin Birgitta Wally aus Berkeley. „Das ist also ein sehr wichtiger Punkt.“

Mithilfe eines Wahrscheinlichkeitsverteilungsmodells und eines Computeralgorithmus analysierte das Team mehr als 17,7 Milliarden Photonendetektionsereignisse und 1,6 Millionen Fluoreszenzphotonendetektionsereignisse.

Aufgrund der umfassenden Analyse sind die Forscher zuversichtlich, dass die Ergebnisse nur auf der Absorption eines einzelnen Photons beruhen und keine anderen Faktoren einen Einfluss haben könnten.

viel von Erweiterte Suche Nachfolgende Photosyntheseschritte umfassten nach der Absorption des Lichts das Senden leistungsstarker, ultraschneller Laserimpulse an die photosynthetischen Moleküle.

„Es gibt einen großen Unterschied in der Intensität zwischen Lasern und Sonnenlicht – ein typischer fokussierter Laserstrahl ist eine Million Mal heller als Sonnenlicht“, sagt er. Erklären Quanwei Li, ein Quantenphysiker und Ingenieur aus Berkeley.

Indem wir zeigen, wie sich einzelne Photonen während der Photosynthese verhalten, liefert uns diese Forschung wichtige Informationen darüber, wie der Energieumwandlungsprozess in der Natur funktioniert. Künstliche Photosynthesetechnologien könnten eines Tages der Schlüssel zum nachhaltigen Überleben und Gedeihen im Weltraum sein.

„So wie man jedes Teilchen verstehen muss, um einen Quantencomputer zu bauen“, sagte Lee HinzufügenWir müssen die quantitativen Eigenschaften lebender Systeme untersuchen, um sie wirklich zu verstehen und effiziente synthetische Systeme zu schaffen, die erneuerbare Kraftstoffe erzeugen.

Diese Studie war eine einzigartige Gelegenheit für zwei Wissenschaftsbereiche, die normalerweise nicht zusammenarbeiten würden, die Techniken der Quantenoptik und der Biologie anzuwenden und zu kombinieren.

„Das nächste ist, was können wir sonst noch tun?“ sagen Willie.

„Unser Ziel ist es, den Energietransfer einzelner Photonen durch den Photosynthesekomplex auf möglichst kurzen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen.“

Forschung veröffentlicht in Natur.