Квантовый код природы: разгадка секретов фотосинтеза

Фотосинтезирующие организмы посредством сложных биохимических процессов преобразуют световую энергию в поддерживающую жизнь химическую энергию. Недавнее исследование подтвердило, что эта реакция может быть инициирована поглощением одного фотона, соединяя области квантовой физики и биологии. Фото: Дженни Нусс/Лаборатория Беркли.

Передовой эксперимент раскрыл квантовую динамику, лежащую в основе одного из самых важных процессов в природе.

Используя сложный набор металлических пигментов, белков, ферментов и коферментов, фотосинтезирующие организмы могут преобразовывать энергию света в химическую энергию для жизни.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature, показало, что этот естественный химический процесс чувствителен к наименьшему возможному количеству света – одному фотону.

Это открытие укрепляет наше нынешнее понимание фотосинтеза и поможет ответить на вопросы о том, как устроена жизнь в мельчайших масштабах, где встречаются квантовая физика и биология.

• «Огромный объем работы, теоретически и экспериментально, был проделан во всем мире, пытаясь понять, что происходит после поглощения фотона. Но мы поняли, что никто не говорит о первом шаге. Это все еще вопрос, на который нужно было дать подробный ответ», — сказал соавтор Грэм Флеминг, старший научный сотрудник отдела биологических наук Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) и профессор химии в Калифорнийском университете в Беркли.

В своем исследовании Флеминг, соавтор Биргитта Уэйли, старший научный сотрудник отдела энергетических наук в лаборатории Беркли, и их исследовательские группы показали, что одиночный фотон действительно может инициировать первый этап фотосинтеза у фотосинтезирующих пурпурных бактерий. Поскольку все фотосинтезирующие организмы используют схожие процессы и имеют общего эволюционного предка, команда уверена, что фотосинтез у растений и водорослей работает одинаково.

• «Природа придумала очень хитрый трюк», — сказал Флеминг.

Как живые системы используют свет

Основываясь на том, насколько эффективен фотосинтез при преобразовании солнечного света в богатые энергией молекулы, ученые уже давно предполагали, что одного фотона достаточно, чтобы инициировать реакцию, в которой фотоны передают энергию электронам, которые затем меняются местами с электронами в разных молекулах, в конечном итоге создавая ингредиенты-предшественники для производства сахаров. В конце концов, Солнце не дает такого количества фотонов – только тысяча фотонов достигает одной молекулы хлорофилла в секунду в солнечный день – тем не менее, этот процесс надежно происходит по всей планете.

Однако «никто никогда не подтверждал это предположение демонстрацией», — сказал первый автор Цюаньвэй Ли, совместный исследователь с докторской степенью, который разрабатывает новые экспериментальные методы с квантовым светом в группах Флеминга и Уэйли.

И, что еще больше усложняет ситуацию, большая часть исследований, которые раскрыли точные детали последующих стадий фотосинтеза, была проведена путем запуска фотосинтетических молекул мощными сверхбыстрыми лазерными импульсами.

Состарший автор Грэм Флеминг (слева) и первый автор Цюаньвэй Ли возле оборудования, использованного в их передовом эксперименте. Фото: Генри Лам/Лаборатория Флеминга.

• «Существует огромная разница в интенсивности лазера и солнечного света – типичный сфокусированный лазерный луч в миллион раз ярче солнечного света», – сказал Ли.

Даже если вам удастся создать слабый луч с интенсивностью, соответствующей солнечному свету, они все равно сильно различаются из-за квантовых свойств света, называемых статистикой фотонов. Поскольку никто не видел, как фотон поглощался, мы не знаем, какая разница и что это за фотон, объяснил он.

• «Но точно так же, как вам нужно понять каждую частицу, чтобы построить квантовый компьютер, нам необходимо изучить квантовые свойства живых систем, чтобы по-настоящему понять их, и создать эффективные искусственные системы, которые генерируют возобновляемое топливо».

Фотосинтез, как и другие химические реакции, впервые был понят в целом – это означало, что мы знали, каковы общие входные и выходные данные, и на основании этого мы могли сделать вывод, как могут выглядеть взаимодействия между отдельными молекулами. В 1970-х и 80-х годах технологические достижения позволили ученым напрямую изучать отдельные химические вещества во время реакций. Теперь ученые начинают исследовать следующий рубеж — индивидуальный атом и субатомный масштаб частиц, используя еще более передовые технологии.

От предположения к факту

Разработка эксперимента, который позволил бы наблюдать отдельные фотоны, подразумевала объединение уникальной команды теоретиков и экспериментаторов, объединивших передовые инструменты квантовой оптики и биологии.

• «Это было ново для людей, изучающих фотосинтез, потому что они обычно не используют эти инструменты, и это было ново для людей, занимающихся квантовой оптикой, потому что мы обычно не задумываемся о применении этих методов к сложным биологическим системам», — сказал Уэйли, который также является профессором химической физики в Калифорнийском университете в Беркли.

Ученые создали источник фотонов, который генерирует одну пару фотонов посредством процесса, называемого спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты. Во время каждого импульса первый фотон – «вестник» – наблюдался с помощью высокочувствительного детектора, который подтверждал, что второй фотон находился на пути к собранному образцу светопоглощающих молекулярных структур, взятому из фотосинтезирующих бактерий. Другой детектор фотонов рядом с образцом был установлен для измерения фотона с более низкой энергией, который испускается фотосинтетической структурой после того, как она поглотила второй «провозглашенный» фотон исходной пары.

Светопоглощающая структура, использованная в экспериментеb, названная LH2, была тщательно изучена. Известно, что фотоны с длиной волны 800 нанометров (нм) поглощаются кольцом из 9 молекул бактериохлорофилла в LH2, в результате чего энергия передается второму кольцу из 18 молекул бактериохлорофилла, которое может излучать флуоресцентные фотоны с длиной волны 850 нм. У местных бактерий энергия фотонов будет продолжать передаваться последующим молекулам, пока не будет использована для инициирования химического процесса фотосинтеза. Но в эксперименте, когда LH2 были отделены от других клеточных механизмов, обнаружение фотона с длиной волны 850 нм послужило окончательным признаком того, что процесс активирован.

• «Если у вас есть только один фотон, его очень легко потерять. Так что это была фундаментальная трудность в этом эксперименте, и именно поэтому мы используем фотон-вестник», — сказал Флеминг.

Ученые проанализировали более 17,7 миллиардов событий обнаружения фотонов и 1,6 миллиона событий обнаружения флуоресцентных фотонов, чтобы гарантировать, что наблюдения можно отнести только к однофотонному поглощению и что никакие другие факторы не влияют на результаты.

• «Я думаю, во-первых, этот эксперимент показал, что с отдельными фотонами действительно можно что-то делать. Так что это очень, очень важный момент», — сказал Уэйли.
• «Следующий вопрос: что еще мы можем сделать? Наша цель — изучить передачу энергии от отдельных фотонов через фотосинтетический комплекс в максимально коротких временных и пространственных масштабах».

Источник

Метки: Биохимия