Светлината е в основата на почти целия живот на Земята. Използвайки енергията от слънцето, растенията, водораслите и някои бактерии създават сложни захарни молекули, които служат като основа за повечето хранителни вериги в природата. Но части от тази подхранваща света химическа реакция остават донякъде мистерия – досега.
За първи път изследователите са наблюдавали началото на фотосинтезазапочвайки с един фотон.
„Огромно количество работа, теоретично и експериментално, беше извършена по целия свят, опитвайки се да разберем какво се случва след поглъщането на фотона. Но ние осъзнахме, че никой не говори за първата стъпка,“ Греъм Флемингхимик от Калифорнийския университет Бъркли и съавтор на новото изследване, каза в изявление. Флеминг и неговият екип описаха процеса в проучване, публикувано на 14 юни в списанието Природата.
Свързани: Учените случайно откриват, че фотосинтезата не работи точно както си мислехме
Когато светлината удари хлоропласта на растението – захарната фабрика на света на органелите – тя абсорбира енергия от входящите фотони и я използва, за да въглероден двуокис и водата в глюкоза и кислород, благодарение на пигмент, наречен хлорофил.
Учените знаят за този процес най-малко от края на 1700 г., но отне много повече време, за да разгадаят зърнестите детайли. Двама френски учени за първи път изолират хлорофила в началото на 1800 г., а до края на века ботаникът Теодор Вилхелм Енгелман е разкрил ролята му в абсорбирането на слънчевата светлина, според статия от 2019 г., публикувана в Анали на ботаниката. Изследователите постигнаха по-голям напредък в определянето на биохимията на фотосинтезата през 20-ти век, откривайки например, че възбудените електрони помагат за преноса на енергия през хлоропластите.
Те също така разбраха, че хлоропластите трябва да са много чувствителни към светлина – в крайна сметка растенията могат да фотосинтезират в сенчести условия, а фотоните в слънчевия лъч са относително дифузни. Учените предположиха, че са необходими само малък брой фотони, за да започне процесът. Никой обаче не беше успял да наблюдава тази важна първа стъпка.
В новото проучване изследователите разглеждат лилавите фотосинтезиращи бактерии, които споделят древен предшественик със съвременните растения и водорасли. Те създадоха източник на фотони, който изхвърля само два фотона наведнъж. По време на всеки тест първият изстрелян фотон се абсорбира от ултрачувствителен детектор, докато другият удря бактериалния еквивалент на хлоропласт. Със сигурност, когато вторият фотон удари целта си, фотосинтезата стартира.
Изследователите извършиха този тест повече от 1,5 милиона пъти, за да гарантират, че вторият фотон, а не някаква външна сила, задейства химическата реакция. Това потвърди, че само един фотон е достатъчен, за да започне фотосинтезата.
„Този експеримент показа, че всъщност можете да правите неща с отделни фотони. Така че това е много, много важен момент,“ Биргита Уейлихимичен физик в UC Berkeley и съавтор на изследването, се казва в изявление.