Todo lo que se necesita es un solo fotón: ScienceAlert

Todo lo que se necesita es un solo fotón: ScienceAlert

Durante la fotosíntesis, una sinfonía de sustancias químicas transforma la luz en la energía necesaria para que vivan las plantas, las algas y algunas bacterias. Los científicos ahora saben que esta sorprendente reacción requiere la menor cantidad posible de luz, solo una fotón – comenzar.

Un equipo estadounidense de investigadores en óptica cuántica y biología ha demostrado que un fotón solitario puede iniciar fotosíntesis en la bacteria morada Rhodobacter sphaeroidesy tienen la esperanza de que funcione en plantas y algas, ya que todos los organismos fotosintéticos comparten un ancestro y procesos evolutivos similares.

El equipo dice que sus hallazgos fortalecen nuestra comprensión 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». Él dice Graham Fleming, bioquímico de la Universidad de California, Berkeley.

«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 se excita el electrón de la clorofila, saltando sobre diferentes moléculas para formar los componentes básicos del azúcar, alimentando 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 por segundo, por lo que la eficiencia de la fotosíntesis para aprovechar la luz solar para producir moléculas ricas en energía ha llevado a los científicos a creer que un solo fotón podría iniciar esta reacción.

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«La naturaleza ha inventado un truco muy ingenioso», Fleming Él dice.

Los investigadores se centraron en una estructura de proteína bien estudiada en bacterias moradas, llamada reunión de luz 2 (LH2), capaz de absorber fotones a una determinada longitud de onda.

Utilizando herramientas especializadas, crearon una fuente de fotones que creó un par de fotones a partir de un fotón de mayor energía. conversión descendente paramétrica espontánea.

Un diagrama simplificado del procedimiento experimental en el complejo LH2. (Gianni et al., Naturaleza2023)

Durante un pulso, el primer fotón, llamado «el heraldo», se observó con un detector de alta sensibilidad, lo que indica la llegada del fotón compañero, 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 haya comenzado 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 estaban separadas de otras partes de la célula.

El desafío era lidiar con fotones individuales, que son fáciles de perder. Para solucionar este problema, los científicos utilizaron el heraldo de fotones como guía.

«Creo que lo primero es que este experimento ha demostrado que en realidad se pueden hacer cosas con fotones individuales». Él dice física química Birgitta Whaley de Berkeley. «Así que este es un punto muy, muy importante».

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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 hallazgos fueron causados ​​​​por la absorción de un solo fotón y que ningún otro factor podría haber tenido un efecto.

Mucho de búsqueda anterior realizado en las etapas posteriores de absorción de luz de la fotosíntesis implicó enviar 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 en la naturaleza. Las técnicas de fotosíntesis artificial algún día podrían 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 construir sistemas eficientes hechos por el hombre 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?» Él dice Ballena.

«Nuestro objetivo es estudiar la transferencia de energía de fotones individuales a través del complejo fotosintético en las escalas de tiempo y espacio más cortas posibles».

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La investigación fue publicada en Naturaleza.

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