Ученые наконец открыли, как начинается фотосинтез — запустив его с помощью одного фотона

Свет является основой почти всей жизни на Земле. Используя энергию солнца, растения, водоросли и некоторые бактерии создают сложные молекулы сахара, которые служат основой для большинства пищевых цепей природы. Но части этой питающей мир химической реакции оставались загадкой — до сих пор. Впервые исследователи наблюдали зачатки фотосинтеза, начиная с одного фотона. Новое исследование было опубликовано в журнале Nature.

«Во всем мире было проделано огромное количество теоретических и экспериментальных работ в попытке понять, что происходит после поглощения фотона. Но мы поняли, что никто не говорил о первом шаге», — сказал один из авторов исследования Грэм Флеминг из Калифорнийского Университета.

Когда свет попадает на хлоропласт растения — сахарную фабрику мира органелл — он поглощает энергию поступающих фотонов и использует ее для превращения углекислого газа и воды в глюкозу и кислород благодаря пигменту под названием хлорофилл. 

Ученые знали об этом процессе, по крайней мере, с конца 1700-х годов, но потребовалось гораздо больше времени, чтобы разгадать детали. Согласно статье 2019 года, опубликованной в Annals of Botany, пара французских ученых впервые выделила хлорофилл в начале 1800-х годов, а к концу века ботаник Теодор Вильгельм Энгельманн раскрыл его роль в поглощении солнечного света. Исследователи добились большего прогресса в определении биохимии фотосинтеза на протяжении 20-го века, обнаружив, например, что возбужденные электроны помогают передавать энергию через хлоропласты. 

Они также поняли, что хлоропласты должны быть очень чувствительны к свету — в конце концов, растения могут фотосинтезировать в тени, а фотоны в солнечном луче относительно рассеяны. Ученые предположили, что для запуска процесса требуется лишь небольшое количество фотонов. 

В новом исследовании исследователи изучили пурпурные фотосинтезирующие бактерии, которые имеют общего древнего предка с современными растениями и водорослями. Они установили источник фотонов, который испускает только два фотона за раз. Во время каждого теста первый излучаемый фотон поглощался сверхчувствительным детектором, а другой попадал в бактериальный эквивалент хлоропласта. И действительно, когда второй фотон достиг своей цели, начался фотосинтез.

Исследователи провели этот тест более 1,5 миллиона раз, чтобы убедиться, что второй фотон, а не какая-то внешняя сила, запускал химическую реакцию. Это подтвердило, что для запуска фотосинтеза достаточно одного фотона. 

«Этот эксперимент показал, что вы действительно можете делать что-то с отдельными фотонами. Так что это очень, очень важный момент», — пояснила соавтор исследования Биргитта Уэйли из Калифорнийского университета.