Hanya membutuhkan satu foton: ScienceAlert

Selama fotosintesis, simfoni bahan kimia mengubah cahaya menjadi energi yang dibutuhkan tanaman, ganggang, dan beberapa kehidupan bakteri. Para ilmuwan sekarang tahu bahwa reaksi yang luar biasa ini membutuhkan jumlah cahaya sesedikit mungkin – hanya satu Foton – memulai dengan.

Sebuah tim peneliti Amerika dalam optik kuantum dan biologi telah menunjukkan bahwa satu foton dapat dimulai Fotosintesis pada bakteri ungu Rhodobacter spiroidesdan mereka yakin bahwa itu bekerja pada tumbuhan dan alga karena semua organisme fotosintetik berbagi nenek moyang evolusi dan proses serupa.

Tim mengatakan temuan mereka memajukan pengetahuan kita tentang fotosintesis dan akan mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang persimpangan fisika kuantum dalam berbagai sistem biologi, kimia dan fisik yang kompleks, termasuk bahan bakar terbarukan.

“Sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan, baik teoretis maupun eksperimental, di seluruh dunia untuk mencoba memahami apa yang terjadi setelah sebuah foton diserap,” Dia berkata Graham Fleming, seorang ahli biokimia di University of California, Berkeley.

“Tetapi kami menyadari bahwa tidak ada yang membicarakan langkah pertama. Ini adalah pertanyaan yang masih membutuhkan jawaban yang terperinci.”

klorofil Molekul menerima foton dari matahari, di mana elektron dalam klorofil menjadi tereksitasi, dan diteruskan ke molekul yang berbeda untuk membentuk bahan penyusun gula, yang memberi makanan pada tumbuhan dan melepaskan oksigen.

Matahari tidak menghujani kita dengan sangat banyak foton—pada hari yang cerah, hanya sekitar 1.000 foton yang mencapai molekul klorofil setiap detik—sehingga efisiensi fotosintesis dalam memanfaatkan sinar matahari untuk menghasilkan molekul kaya energi telah membuat para ilmuwan percaya bahwa satu foton dapat memulai reaksi ini.

“Alam telah menemukan trik yang sangat cerdik,” kata Fleming Dia berkata.

Para peneliti berfokus pada struktur protein yang dipelajari dengan baik pada bakteri ungu yang disebut panen ringan 2 (LH2), dapat menyerap foton pada panjang gelombang tertentu.

Dengan menggunakan alat khusus, mereka menciptakan sumber foton yang membuat sepasang foton dari satu foton yang menggunakan energi lebih tinggi Batas konversi spontan turun.

Selama pulsa, foton pertama, yang disebut “herald”, diamati oleh detektor yang sangat sensitif, menunjukkan kedatangan foton mitra, yang berinteraksi dengan molekul LH2 dalam sampel laboratorium bakteri ungu.

Ketika sebuah foton dengan panjang gelombang 800 nanometer menabrak cincin molekul di LH2, energi berpindah ke cincin kedua, yang mengeluarkan foton neon dengan panjang gelombang 850 nanometer.

Di alam, transfer energi ini akan berlanjut hingga fotosintesis dimulai. Penemuan foton dengan panjang gelombang 850 nanometer di laboratorium merupakan tanda yang jelas bahwa proses ini telah dimulai, terutama karena struktur LH2 terpisah dari bagian sel lainnya.

Tantangannya adalah berurusan dengan foton tunggal, yang mudah hilang. Untuk menyiasatinya, para ilmuwan menggunakan foton suar sebagai panduan.

“Saya pikir hal pertama adalah percobaan ini menunjukkan bahwa Anda benar-benar dapat melakukan sesuatu dengan foton individu,” Dia berkata Fisikawan kimia Birgitta Wally dari Berkeley. “Jadi ini poin yang sangat penting.”

Menggunakan model distribusi probabilitas dan algoritme komputer, tim menganalisis lebih dari 17,7 miliar peristiwa deteksi foton dan 1,6 juta peristiwa deteksi foton fluoresen.

Analisis komprehensif berarti bahwa para peneliti yakin bahwa hasilnya hanya karena penyerapan satu foton dan tidak ada faktor lain yang dapat mempengaruhi.

banyak Pencarian lanjutan Langkah fotosintesis selanjutnya terlibat, setelah menyerap cahaya, mengirimkan pulsa laser ultra cepat yang kuat ke molekul fotosintesis.

“Ada perbedaan besar dalam intensitas antara laser dan sinar matahari – sinar laser terfokus khas satu juta kali lebih terang dari sinar matahari,” katanya. Menjelaskan Quanwei Li, seorang fisikawan dan insinyur kuantum dari Berkeley.

Dengan menunjukkan bagaimana foton individu berperilaku selama fotosintesis, penelitian ini memberi kita informasi penting tentang bagaimana proses konversi energi bekerja di alam. Teknologi fotosintesis buatan suatu hari nanti mungkin menjadi kunci untuk bertahan dan berkembang secara berkelanjutan di luar angkasa.

“Sama seperti Anda perlu memahami setiap partikel untuk membangun komputer kuantum,” kata Lee MenambahkanKita perlu mempelajari sifat kuantitatif sistem kehidupan untuk benar-benar memahaminya dan menciptakan sistem sintetik efisien yang menghasilkan bahan bakar terbarukan.

Studi ini merupakan peluang unik untuk dua bidang ilmiah yang biasanya tidak bekerja sama untuk menerapkan dan menggabungkan teknik optik kuantum dan biologi.

“Hal berikutnya adalah, apa lagi yang bisa kita lakukan?” Dia berkata Willie.

“Tujuan kami adalah mempelajari transfer energi foton individu melalui kompleks fotosintesis pada skala spasial dan temporal sesingkat mungkin.”

Riset dipublikasikan di alam.