یک فوتون، برای شروع عمل فتوسنتز کافیست!

به گزارش مجله خبری نگار،تیمی از محققان آمریکایی در رشته‌های اپتیک کوانتومی و زیست‌شناسی دریافتند: یک فوتون تنها می‌تواند فتوسنتز را در باکتری ارغوانی Rhodobacter sphaeroides آغاز کند و دانشمندان مطمئن هستند که در همه گیاهان و جلبک‌ها نیز همینگونه عمل می‌کند، زیرا همه موجودات فتوسنتزی دارای یک نیای تکاملی و فرآیند‌های مشابه هستند.

این تیم پژوهشی می‌گوید: یافته‌های آن‌ها دانش ما را در مورد فتوسنتز تقویت کرده و به درک بهتری از تقاطع فیزیک کوانتومی در طیف گسترده‌ای از سیستم‌های پیچیده بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی، از جمله سوخت‌های تجدیدپذیر منجر می‌شود.

گراهام فلمینگ (Graham Fleming) بیوشیمی‌دان دانشگاه کالیفرنیا و محقق این مطالعات می‌گوید: مقدار عظیمی از کار، از نظر تئوری و تجربی، در سراسر جهان انجام شده است تا بفهمیم پس از جذب فوتون چه اتفاقی می‌افتد. مولکول‌های کلروفیل فوتون‌ها را از خورشید دریافت می‌کنند، جایی که الکترون کلروفیل برانگیخته شده و به مولکول‌های مختلف می‌پرد تا بلوک‌های سازنده قند را تشکیل دهد و به گیاهان غذا داده و اکسیژن آزاد می‌کند.

فلمینگ توضیح می‌دهد: خورشید در یک روز آفتابی، تنها حدود هزار فوتون در هر ثانیه به یک مولکول کلروفیل می‌رساند، بنابراین کارایی فتوسنتز در مهار نور خورشید برای تولید مولکول‌های غنی از انرژی، دانشمندان را به این باور رساند که یک فوتون می‌تواند این واکنش را شروع کند.

محققان روی ساختار کاملاً مطالعه شده پروتئین‌ها در باکتری‌های بنفش، به نام کمپلکس برداشت نور ۲ (LH۲) تمرکز کردند که می‌تواند فوتون‌ها را در طول موج خاصی جذب کند. به گزارش سیناپرس، پژوهشگران با استفاده از ابزار‌های تخصصی، یک منبع فوتون ایجاد کردند که از یک فوتون با انرژی بالاتر با استفاده از تبدیل پارامتری خود به خود به پایین، یک جفت فوتون می‌ساخت.

در طی یک پالس، اولین فوتون، با یک آشکارساز بسیار حساس مشاهده شد که سیگنال ورود فوتون را نشان می‌دهد که با مولکول‌های LH۲ در یک نمونه آزمایشگاهی از باکتری ارغوانی برهم کنش داشت. هنگامی که یک فوتون با طول موج ۸۰۰ نانومتر به حلقه‌ای از مولکول‌ها در LH۲ برخورد کرد، انرژی به حلقه دوم رفت که فوتون‌های فلورسنت با طول موج ۸۵۰ نانومتر را منتشر کرد.

این تیم تحقیقاتی با استفاده از یک مدل توزیع احتمال و یک الگوریتم کامپیوتری، بیش از ۱۷٫۷ میلیارد رویداد آشکارسازی فوتون و ۱٫۶ میلیون رویداد تشخیص فوتون فلورسنت را تجزیه و تحلیل کردند.

به گفته محققان، این تحقیق با نشان دادن نحوه رفتار تک تک فوتون‌ها در طول فتوسنتز، اطلاعات مهمی در مورد نحوه عملکرد فرآیند تبدیل انرژی طبیعت به ما می‌دهد. تکنیک‌های فتوسنتز مصنوعی ممکن است روزی کلید بقای پایدار و شکوفایی در فضا باشد.

فلمینگ در پایان می‌افزاید: همانطور که برای ساختن یک کامپیوتر کوانتومی باید تک تک ذرات را درک کنید، ما نیز باید خواص کوانتومی سیستم‌های زنده را مطالعه کنیم تا آن‌ها را به درستی درک کرده و سیستم‌های مصنوعی کارآمدی بسازیم که سوخت‌های تجدیدپذیر تولید می‌کنند.

شرح کامل این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.