Требуется всего один фотон: ScienceAlert

Во время фотосинтеза симфония химических веществ преобразует свет в энергию, необходимую для растений, водорослей и некоторых бактерий. Теперь ученые знают, что для этой замечательной реакции требуется минимально возможное количество света — всего один свет. Фотон — начать с.

Группа американских исследователей в области квантовой оптики и биологии показала, что одиночный фотон может запустить Фотосинтез в пурпурных бактериях Родобактеры спироидыи они уверены, что это работает на растениях и водорослях, потому что все фотосинтезирующие организмы имеют общего эволюционного предка и схожие процессы.

Команда говорит, что их результаты расширят наши знания о фотосинтезе и приведут к лучшему пониманию пересечения квантовой физики в широком спектре сложных биологических, химических и физических систем, включая возобновляемые виды топлива.

«Во всем мире было проделано огромное количество теоретической и экспериментальной работы, направленной на то, чтобы понять, что происходит после поглощения фотона». Он говорит Грэм Флеминг, биохимик из Калифорнийского университета в Беркли.

«Но мы поняли, что никто не говорил о первом шаге. Это был вопрос, требующий подробного ответа».

хлорофилл Молекулы получают фотоны от солнца, в результате чего электрон в хлорофилле возбуждается и передается другим молекулам для формирования строительных блоков сахара, который дает растениям пищу и выделяет кислород.

Солнце не излучает на нас очень много фотонов — в солнечный день только около 1000 фотонов достигают молекулы хлорофилла каждую секунду — поэтому эффективность фотосинтеза в использовании солнечного света для производства богатых энергией молекул привела ученых к мысли, что один единственный фотон может запустить эту реакцию.

«Природа изобрела очень хитрый трюк, — сказал Флеминг. Он говорит.

Исследователи сосредоточились на хорошо изученной структуре белков пурпурных бактерий, называемых легкий урожай 2 (LH2), он может поглощать фотоны на определенной длине волны.

Используя специализированные инструменты, они создали источник фотонов, который делал пару фотонов из одного фотона более высокой энергии, используя Снижен лимит спонтанных конверсий.

Во время импульса первый фотон, называемый «предвестником», наблюдался высокочувствительным детектором, что указывало на прибытие фотона-партнера, который взаимодействовал с молекулами LH2 в лабораторном образце пурпурных бактерий.

Когда фотон с длиной волны 800 нанометров попал в кольцо молекул в LH2, энергия перешла ко второму кольцу, которое испустило флуоресцентные фотоны с длиной волны 850 нанометров.

В природе этот перенос энергии будет продолжаться до тех пор, пока не начнется фотосинтез. Обнаружение в лаборатории фотона с длиной волны 850 нанометров было явным признаком того, что этот процесс начался, тем более что структуры LH2 были отделены от других частей клетки.

Задача заключалась в том, чтобы иметь дело с одиночными фотонами, которые легко потерять. Чтобы обойти это, ученые использовали фотон в качестве проводника.

«Я думаю, во-первых, этот эксперимент показал, что вы действительно можете делать что-то с отдельными фотонами». Он говорит Физик-химик Биргитта Уолли из Беркли. — Так что это очень важный момент.

Используя модель распределения вероятностей и компьютерный алгоритм, команда проанализировала более 17,7 миллиардов событий обнаружения фотонов и 1,6 миллиона событий обнаружения флуоресцентных фотонов.

Всесторонний анализ означает, что исследователи уверены, что результаты были получены только благодаря поглощению одного фотона и что никакие другие факторы не могли повлиять.

много Расширенный поиск Последующие этапы фотосинтеза включали после поглощения света отправку мощных сверхбыстрых лазерных импульсов фотосинтезирующим молекулам.

«Существует огромная разница в интенсивности между лазерами и солнечным светом — типичный сфокусированный лазерный луч в миллион раз ярче солнечного света», — говорит он. Объяснять Цюаньвэй Ли, квантовый физик и инженер из Беркли.

Показывая, как ведут себя отдельные фотоны во время фотосинтеза, это исследование дает нам важную информацию о том, как работает процесс преобразования энергии в природе. Технологии искусственного фотосинтеза однажды могут стать ключом к устойчивому выживанию и процветанию в космосе.

«Точно так же, как вам нужно понять каждую частицу, чтобы построить квантовый компьютер», — сказал Ли. ДобавлятьНам необходимо изучить количественные свойства живых систем, чтобы по-настоящему понять их и создать эффективные синтетические системы, которые генерируют возобновляемое топливо.

Это исследование стало уникальной возможностью для двух научных областей, которые обычно не работают вместе, применить и объединить методы квантовой оптики и биологии.

«Следующее, что еще мы можем сделать?» Он говорит Вилли.

«Наша цель — изучить передачу энергии отдельных фотонов через фотосинтетический комплекс в кратчайших возможных пространственных и временных масштабах».

Исследование опубликовано в природа.