Durante la fotosíntesis, una sinfonía de sustancias químicas transforma la luz en la energía necesaria para la vida de las plantas, las algas y algunas bacterias. Los científicos ahora saben que esta notable reacción requiere la menor cantidad posible de luz, solo una fotón – empezar.
Un equipo estadounidense de investigadores en óptica cuántica y biología demostró que un fotón solitario puede comenzar fotosíntesis en la bacteria morada Rhodobacter sphaeroidesy confían en que funciona en plantas y algas, ya que todos los organismos fotosintéticos comparten un ancestro evolutivo y procesos similares.
El equipo dice que sus hallazgos refuerzan nuestro conocimiento de la fotosíntesis y conducirán a una mejor comprensión de la intersección de la física cuántica en una amplia gama de sistemas biológicos, químicos y físicos complejos, incluidos los combustibles renovables.
“Se ha realizado una gran cantidad de trabajo, teórico y experimental, en todo el mundo tratando de comprender qué sucede después de que se absorbe un fotón”. dice
“Pero nos dimos cuenta de que nadie estaba hablando del primer paso. Esa era todavía una pregunta que debía responderse en detalle”.
Clorofila Las moléculas reciben fotones del Sol, donde el electrón de la clorofila se excita, saltando a diferentes moléculas para formar los componentes básicos del azúcar, dando alimento a las plantas y liberando oxígeno.
El Sol no nos baña con una cantidad excesivamente generosa de fotones: en un día soleado, solo alrededor de 1000 fotones alcanzan una molécula de clorofila cada segundo, por lo que la eficiencia de la fotosíntesis para aprovechar la luz solar para producir moléculas ricas en energía llevó a los científicos a creer que un solo fotón podría iniciar esta reacción.
“La naturaleza inventó un truco muy inteligente”, Fleming dice .
Los investigadores se centraron en una estructura bien estudiada de proteínas en bacterias moradas, llamada cosecha de luz 2 (LH2), que puede absorber fotones en una longitud de onda particular.
Usando herramientas especializadas, crearon una fuente de fotones que hizo un par de fotones de un fotón de mayor energía usando conversión descendente paramétrica espontánea.
Durante un pulso, el primer fotón, llamado “el heraldo”, se observó con un detector de alta sensibilidad, lo que indica la llegada de su compañero fotón, que interactuó con las moléculas LH2 en una muestra de laboratorio de la bacteria púrpura.
Cuando un fotón con una longitud de onda de 800 nanómetros golpea un anillo de moléculas en LH2, la energía va a un segundo anillo, que emite fotones fluorescentes con una longitud de onda de 850 nanómetros.
En la naturaleza, esta transferencia de energía continuaría hasta que comenzara el proceso de fotosíntesis. Encontrar un fotón con una longitud de onda de 850 nanómetros en el laboratorio fue una clara señal de que ese proceso había comenzado, especialmente porque las estructuras LH2 se separaron de otras partes de la célula.
El desafío consistía en lidiar con fotones individuales, que son fáciles de perder. Para evitar esto, los científicos utilizaron el fotón heraldo como guía.
“Creo que lo primero es que este experimento ha demostrado que en realidad se pueden hacer cosas con fotones individuales”. dice física química Birgitta Whaley de Berkeley. “Así que ese es un punto muy, muy importante”.
Utilizando un modelo de distribución de probabilidad y un algoritmo informático, el equipo analizó más de 17 700 millones de eventos de detección de fotones heraldos y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes.
El análisis exhaustivo significa que los investigadores confían en que los resultados solo fueron causados por la absorción de un solo fotón y ningún otro factor podría haber tenido un efecto.
Mucho de investigaciones anteriores realizado en los últimos pasos de la fotosíntesis, posteriores a la absorción de la luz, ha implicado el envío de pulsos de láser ultrarrápidos y potentes a las moléculas fotosintéticas.
“Hay una gran diferencia de intensidad entre un láser y la luz solar: un rayo láser enfocado típico es un millón de veces más brillante que la luz solar”. explica Quanwei Li, físico cuántico e ingeniero de Berkeley.
Al demostrar cómo se comportan los fotones individuales durante la fotosíntesis, esta investigación nos brinda información importante sobre cómo funciona el proceso de conversión de energía de la naturaleza. Las técnicas de fotosíntesis artificial pueden algún día ser la clave para sobrevivir y prosperar de manera sostenible en el espacio.
“Al igual que necesita comprender cada partícula para construir una computadora cuántica”, Li agrega“necesitamos estudiar las propiedades cuánticas de los sistemas vivos para comprenderlos verdaderamente y crear sistemas artificiales eficientes que generen combustibles renovables”.
Este estudio fue una oportunidad única para dos campos científicos que no suelen trabajar juntos para aplicar y combinar las técnicas de la óptica cuántica y la biología.
“Lo siguiente es, ¿qué más podemos hacer?” dice Ballena.
“Nuestro objetivo es estudiar la transferencia de energía de los fotones individuales a través del complejo fotosintético en las escalas temporales y espaciales más cortas posibles”.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.