Учёные сделали революционное открытие в области фотосинтеза

Солнечный свет играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле, однако многое остается неизвестным о молекулах, ответственных за улавливание света в процессе фотосинтеза, на который опирается биология.

Фото: Fotodom.ru/ REX Features

В недавнем исследовании, опубликованном 14 июня в журнале Nature, ученые подтвердили, что фотосинтез очень чувствителен даже к самому маленькому количеству света — одному фотону.

Энергия Солнца

Земля получает непрерывный приток солнечной энергии в объеме примерно 173 000 триллионов ватт, что эквивалентно взрывной энергии более 41 миллиона тонн тротила каждую секунду. Однако отдельные поглощающие свет молекулы хлорофилла получают ничтожное количество энергии. По словам Грэма Флеминга, соавтора исследования и химика-физика из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли, под воздействием солнечного света они получают не более нескольких десятков полезных фотонов в секунду.

Учитывая огромную производительность, достигаемую при столь минимальных затратах энергии, исследователи давно предполагали, что один-единственный фотон может инициировать процесс фотосинтеза. Однако подтвердить эту гипотезу было крайне сложно из-за чрезвычайно малого размера молекул хлорофилла, площадь которых составляет примерно один квадратный нанометр, и сложности химических реакций, участвующих в использовании солнечного света для создания полезных молекул.

Фотоны по отдельности

Чтобы изучить комплекс, собирающий свет 2 (LH2), обнаруженный в пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides, исследователи использовали необычное явление, известное как запутывание. Это соединение или "запутывание" двух или более частиц, таких как фотоны, что теоретически позволяет им влиять друг на друга независимо от расстояния, разделяющего их. Анализ одного запутанного фотона позволяет ученым сделать вывод о поведении его запутанного партнера.

Изучение фундаментальной науки, лежащей в основе фотосинтеза, может привести к появлению ценных приложений, которые зависят от этого процесса. Например, фотосинтетическая жизнь должна эффективно балансировать между получением энергии из солнечного света и необходимостью защищаться от потенциального вреда, наносимого солнечным светом. Флеминг предполагает, что понимание и оптимизация этого равновесия имеет решающее значение для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме того, Ли подчеркивает, что понимание того, как природа достигает эффективности и защиты, необходимо для вдохновения при разработке искусственных энергетических систем, таких как искусственный фотосинтез и солнечные батареи.