Хотя свет является основой почти всей жизни на Земле, некоторые части этих химических реакций до сих пор оставались несколько загадочными. Впервые исследователи наблюдали зарождение фотосинтеза с помощью одного фотона. Подробности исследования опубликованы в журнале .
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез - это невероятный процесс, с помощью которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют световую энергию нашей звезды в химическую энергию в виде глюкозы.
Сначала пигменты хлорофилла в хлоропластах растительных клеток улавливают фотоны (частицы света). Затем энергия этих фотонов используется для ряда химических реакций, происходящих в тилакоидах. Это мембранные структуры, расположенные внутри хлоропластов. Затем энергия света преобразуется в аденозинтрифосфат (или АТФ) - молекулу, которая накапливает химическую энергию. В процессе фотосинтеза также образуется восстановленный никотинамид аденин динуклеотид фосфат (или NADPH) - молекула, которая переносит электроны и химическую энергию.
После производства АТФ и NADPH фотосинтез преобразует CO2 в глюкозу. Затем эта глюкоза используется в качестве источника энергии. В ходе этого процесса в атмосферу выделяется кислород, который необходим для поддержания жизни на Земле.
Ученые знали об этом процессе по крайней мере с конца 1700-х годов. В течение последующих двух столетий по мере технического прогресса выяснялись подробности этого невероятно сложного процесса. Со временем также стало ясно, что хлоропласты должны быть очень чувствительны к свету. Мы знаем, что растения могут фотосинтезировать в тенистых условиях, где фотоны относительно рассеяны. Поэтому ученые предположили, что для запуска процесса необходимо лишь небольшое количество таких фотонов. Однако никто еще не смог успешно наблюдать этот важнейший первый этап. Теперь это удалось.
Достаточно одного фотона
В рамках этой работы группа специалистов из Калифорнийского университета в Беркли изучала фотосинтетические пурпурные бактерии, также известные как несерные пурпурные бактерии. В отличие от растений и цианобактерий, они используют различные пигменты, называемые бактериохлорофиллами, для улавливания света и осуществления фотосинтеза. Мы также знаем, что они имеют общего древнего предка с современными растениями и водорослями. Именно поэтому исследователи выбрали их в качестве объекта изучения.
Для своего эксперимента геохимики установили источник фотонов, способный выпускать только два фотона одновременно. Во время каждого испытания первый испущенный фотон поглощался сверхчувствительным детектором, а второй попадал в эквивалент бактериального хлоропласта. Затем они наблюдали, что когда второй фотон попадал в цель, запускался процесс фотосинтеза. Исследователи провели этот тест более 1,5 миллиона раз, чтобы убедиться, что химическая реакция действительно была запущена этим фотоном, а не какой-то внешней силой.
Хотя мы знаем, что Солнце испускает несколько десятков фотонов на квадратный нанометр в секунду, данное исследование показывает, что в действительности для запуска фотосинтеза нужен всего один фотон.