Ученые запустили фотосинтез всего одним фотоном

Исследователи впервые исследователи наблюдали, как всего одна частица света может запустить фотосинтез у бактерий.

Свет является основой почти для всей жизни на Земле. Используя энергию солнца, растения, водоросли и некоторые бактерии создают сложные молекулы сахара, которые служат основой для большинства пищевых цепочек природы. Но части этой питающей мир химической реакции оставались в некотором роде загадкой.

"Весь ученый мир проделал огромный объем теоретической и экспериментальной работы, чтобы понять процесс после поглощения фотона. Но первый шаг всегда ускользал", - сказал в заявлении Грэм Флеминг, химик из Калифорнийского университета в Беркли и соавтор нового исследования. Флеминг и его команда опубликовали результаты своей работы в журнале Nature.

Когда свет попадает на хлоропласт растения — сахарную фабрику в мире органелл — он поглощает энергию поступающих фотонов и использует ее для превращения углекислого газа и воды в глюкозу и кислород, благодаря пигменту под названием хлорофилл.

Ученые знали об этом процессе по крайней мере с конца 1700-х годов, но потребовалось время, чтобы понять все его детали. Пара французских ученых впервые выделила хлорофилл в начале 1800-х годов, а к концу столетия ботаник Теодор Вильгельм Энгельман раскрыл его роль в поглощении солнечного света.

В 20-м веке исследователи добились большого прогресса в определении биохимии фотосинтеза, обнаружив, например, что возбужденные электроны помогают передавать энергию через хлоропласты.

Они также поняли, что хлоропласты очень чувствительны к свету — ведь растения могут фотосинтезировать в тенистых условиях, когда фотоны в солнечном луче относительно рассеянны. Ученые выдвинули гипотезу, что для запуска процесса необходимо лишь небольшое количество фотонов. Однако никто не мог доказать сколько именно.

В новом исследовании исследователи изучили фиолетовые фотосинтезирующие бактерии, которые имеют общего древнего предка с современными растениями и водорослями. Они создали источник фотонов, испускающий всего два фотона одновременно. Во время каждого теста первый выпущенный фотон поглощался сверхчувствительным детектором, в то время как другой попадал в бактериальный эквивалент хлоропласта. Когда второй фотон достиг своей цели, фотосинтез запустился.

Исследователи провели этот тест более 1,5 миллионов раз, чтобы убедиться, что химическую реакцию запускал именно второй фотон, а не какая-то внешняя сила. Это подтвердило, что всего одного фотона было достаточно, чтобы запустить фотосинтез.