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.
«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», — говорит Грэм Флеминг, химик и соавтор нового исследования.
Когда свет попадает на хлоропласт растения — сахарную фабрику мира органелл — они поглощают энергию поступающих фотонов и используют 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.
Французские ученые впервые выделили хлорофилл в начале 1800-х годов, а к концу века ботаник Теодор 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.
Однако никому не удалось успешно выполнить этот решающий первый шаг.
В новой работе исследователи изучили фотосинтезирующие бактерии, которые имеют общего древнего предка с современными растениями и водорослями.
Они установили источник фотонов, который испускал 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, начинался 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 всего одного фотона.
«Наш эксперимент показал, что мы действительно можем делать что-то с отдельными фотонами. Так что это очень, очень важный момент», — говорят ученые.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.