Sadece bir foton alır: ScienceAlert

Fotosentez sırasında, bir kimyasal senfoni ışığı bitki, alg ve bazı bakteri yaşamı için gerekli olan enerjiye dönüştürür. Bilim adamları artık bu olağanüstü reaksiyonun mümkün olan en az miktarda ışık gerektirdiğini biliyorlar – sadece bir tane Foton – başlamak için.

Kuantum optiği ve biyoloji alanındaki Amerikalı araştırmacılardan oluşan bir ekip, tek bir fotonun başlayabileceğini gösterdi. Fotosentez mor bakterilerde Rhodobacter spiroidlerive bitkilerde ve alglerde işe yaradığından eminler çünkü tüm fotosentetik organizmalar evrimsel bir ataya ve benzer süreçlere sahiptir.

Ekip, bulgularının fotosentez bilgimizi geliştirdiğini ve yenilenebilir yakıtlar da dahil olmak üzere çok çeşitli karmaşık biyolojik, kimyasal ve fiziksel sistemlerde kuantum fiziğinin kesişiminin daha iyi anlaşılmasına yol açacağını söylüyor.

“Bir foton emildikten sonra ne olduğunu anlamaya çalışan dünya çapında teorik ve deneysel muazzam miktarda çalışma yapıldı.” o diyor Graham Fleming, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’de bir biyokimyacı.

“Ancak kimsenin ilk adımdan bahsetmediğini fark ettik. Bu, hâlâ ayrıntılı bir cevaba ihtiyaç duyan bir soruydu.”

klorofil Moleküller güneşten fotonlar alırlar, bu sayede klorofildeki bir elektron uyarılır ve bitkilere besin sağlayan ve oksijeni serbest bırakan şekerin yapı taşlarını oluşturmak üzere farklı moleküllere aktarılır.

Güneş bize çok fazla foton yağdırmaz – güneşli bir günde, sadece yaklaşık 1.000 foton bir klorofil molekülüne her saniye ulaşır – bu nedenle fotosentezin güneş ışığından yararlanarak enerji açısından zengin moleküller üretmedeki etkinliği, bilim adamlarını tek bir foton olduğuna inanmaya yöneltti. foton bu reaksiyonu başlatabilir.

Fleming, “Doğa çok zekice bir numara icat etti” dedi. o diyor.

Araştırmacılar mor bakteride iyi çalışılmış bir protein yapısına odaklandılar. hafif hasat 2 (LH2), belirli bir dalga boyundaki fotonları emebilir.

Özel araçlar kullanarak, daha yüksek enerjili tek bir fotondan bir çift foton oluşturan bir foton kaynağı yarattılar. Spontan dönüşüm limiti aşağı.

Darbe sırasında, “haberci” olarak adlandırılan ilk foton, oldukça hassas bir detektör tarafından gözlemlendi ve bu, bir mor bakteri laboratuvar örneğinde LH2 molekülleri ile etkileşime giren ortak fotonun gelişini gösteriyor.

800 nanometre dalga boyuna sahip bir foton, LH2’deki bir molekül halkasına çarptığında, enerji, 850 nanometre dalga boyuna sahip flüoresan fotonlar yayan ikinci bir halkaya gitti.

Doğada bu enerji transferi fotosentez başlayana kadar devam eder. Laboratuvarda 850 nanometre dalga boyuna sahip bir fotonun bulunması, özellikle LH2’nin yapıları hücrenin diğer kısımlarından ayrıldığı için bu sürecin başladığının açık bir işaretiydi.

Buradaki zorluk, kaybetmesi kolay olan tek fotonlarla uğraşmaktı. Bunu aşmak için, bilim adamları işaret fotonunu bir rehber olarak kullandılar.

“Bence ilk şey, bu deneyin aslında tek tek fotonlarla bir şeyler yapabileceğinizi göstermesidir.” o diyor Kimyasal fizikçi Berkeley’den Birgitta Wally. “Yani bu çok önemli bir nokta.”

Bir olasılık dağılım modeli ve bir bilgisayar algoritması kullanan ekip, 17,7 milyardan fazla foton algılama olayını ve 1,6 milyondan fazla floresan foton algılama olayını analiz etti.

Kapsamlı analiz, araştırmacıların sonuçların yalnızca tek bir fotonun soğurulmasından kaynaklandığından ve başka hiçbir faktörün etkili olamayacağından emin oldukları anlamına gelir.

bir sürü, pek çok Gelişmiş Arama Sonraki fotosentez adımları, ışığı emdikten sonra, fotosentetik moleküllere güçlü, ultra hızlı lazer darbeleri gönderir.

“Lazerler ve güneş ışığı arasında büyük bir yoğunluk farkı var – tipik bir odaklanmış lazer ışını, güneş ışığından bir milyon kat daha parlaktır” diyor. Açıklamak Berkeley’den bir kuantum fizikçisi ve mühendisi olan Quanwei Li.

Bu araştırma, fotosentez sırasında tek tek fotonların nasıl davrandığını göstererek, doğanın enerji dönüştürme sürecinin nasıl çalıştığı hakkında bize önemli bilgiler veriyor. Yapay fotosentez teknolojileri, bir gün uzayda sürdürülebilir bir şekilde hayatta kalmanın ve gelişmenin anahtarı olabilir.

Lee, “Tıpkı bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için her parçacığı anlamanız gerektiği gibi” dedi. EklemekCanlı sistemleri gerçekten anlamak ve yenilenebilir yakıtlar üreten verimli sentetik sistemler yaratmak için niceliksel özelliklerini incelememiz gerekiyor.

Bu çalışma, kuantum optiği ve biyoloji tekniklerini uygulamak ve birleştirmek için normalde birlikte çalışmayan iki bilimsel alan için eşsiz bir fırsattı.

“Bir sonraki şey, başka ne yapabiliriz?” o diyor Willie.

“Amacımız, fotosentez kompleksi yoluyla bireysel fotonların enerji transferini mümkün olan en kısa uzamsal ve zamansal ölçeklerde incelemektir.”

Araştırma yayınlandı doğa.