أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تقوم سمفونية من المواد الكيميائية بتحويل الضوء إلى الطاقة التي تحتاجها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا للبقاء على قيد الحياة. يعرف العلماء الآن أن هذا التفاعل الرائع يتطلب كمية صغيرة جدًا من الضوء – ضوء واحد فقط الفوتون – للبدأ.
أظهر فريق من الباحثين الأمريكيين في البصريات الكمومية وعلم الأحياء أن فوتونًا واحدًا يمكن أن يبدأ البناء الضوئي في البكتيريا الأرجواني رودوباكتر سبيرويدسويعتقدون أنه يعمل في النباتات والطحالب لأن جميع الكائنات الحية الضوئية تشترك في سلف تطوري وعمليات مماثلة.
يقول الفريق إن النتائج التي توصلوا إليها تعزز معرفتنا بالتمثيل الضوئي وتؤدي إلى فهم أفضل لفيزياء الكم عند تقاطع مجموعة واسعة من الأنظمة البيولوجية والكيميائية والفيزيائية المعقدة ، بما في ذلك الوقود المتجدد.
“لقد تم إنجاز قدر هائل من العمل نظريًا وتجريبيًا حول العالم لفهم ما يحدث بعد امتصاص الفوتون.” هو يقول جراهام فليمنج عالم كيمياء حيوية بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي.
“لكننا أدركنا أن لا أحد كان يتحدث عن الخطوة الأولى. هذا سؤال يحتاج إلى إجابة بمزيد من التفصيل.”
الكلوروفيل تستقبل الجزيئات الفوتونات من الشمس ، حيث يتحمس إلكترون الكلوروفيل ، ويقفز إلى جزيئات مختلفة لتشكيل اللبنات الأساسية للسكر ، وإطلاق الطعام والأكسجين للنباتات.
لا تمطرنا الشمس بكمية كبيرة جدًا من الفوتونات – في يوم مشمس ، يصل حوالي 1000 فوتون فقط إلى جزيء الكلوروفيل كل ثانية – لذا فإن كفاءة التمثيل الضوئي في استخدام ضوء الشمس لتكوين جزيئات غنية بالطاقة دفعت العلماء إلى الاعتقاد . يمكن للفوتون أن يبدأ هذا التفاعل.
“لقد ابتكرت الطبيعة حيلة ذكية للغاية ،” فليمنج هو يقول.
ركز الباحثون على البنية المدروسة جيدًا للبروتينات في البكتيريا الأرجواني حصاد خفيف 2 (LH2) ، والذي يمكنه امتصاص الفوتونات بطول موجي محدد.
باستخدام معدات خاصة ، أنشأوا مصدرًا للفوتون أنتج زوجًا من الفوتونات من فوتون واحد عالي الطاقة. تحول تعسفي للمعلمة إلى أسفل.
خلال نبضة واحدة ، لوحظ الفوتون الأول ، المسمى بـ “الهيرالد” ، بواسطة كاشف شديد الحساسية ، مما يشير إلى وصول الفوتون الشريك ، والذي تفاعل مع جزيئات LH2 في عينة معملية من البكتيريا الأرجواني.
عندما اصطدم فوتون بطول موجي 800 نانومتر بحلقة الجزيئات في LH2 ، انتقلت الطاقة إلى الحلقة الثانية ، والتي أعطت فوتونات ضوئية بطول موجي 850 نانومتر.
في الطبيعة ، يستمر نقل الطاقة هذا حتى تبدأ عملية التمثيل الضوئي. يعد اكتشاف فوتون بطول موجة 850 نانومتر في المختبر مؤشرًا واضحًا على أن العملية قد بدأت ، خاصة وأن هياكل LH2 منفصلة عن باقي الخلية.
التحدي هو التعامل مع الفوتونات الفردية ، والتي من السهل خسارتها. للتغلب على هذا ، استخدم العلماء الفوتون الذي تم الإعلان عنه كدليل.
“أول شيء هو أن هذه التجربة تُظهر أنه يمكنك فعلًا القيام بأشياء باستخدام الفوتونات الفردية.” هو يقول بيرجيتا والي ، عالمة فيزياء كيميائية في بيركلي. “لذا فهو شيء مهم جدًا جدًا.”
باستخدام نموذج توزيع الاحتمالات وخوارزمية الكمبيوتر ، قام الفريق بتحليل 17.7 مليار حدث للكشف عن الفوتون و 1.6 مليون حدث للكشف عن الفوتون الفلوري.
يعني التحليل الشامل أن الباحثين يعتقدون أن النتائج كانت ناتجة عن امتصاص فوتون واحد وحده ولا يمكن لأي عوامل أخرى المساهمة.
أغلبهم بحث مسبق تتضمن خطوات التمثيل الضوئي بعد امتصاص الضوء إرسال نبضات ليزر قوية وعالية السرعة إلى جزيئات التمثيل الضوئي.
“هناك فرق كبير في الشدة بين الليزر وضوء الشمس – شعاع الليزر المركّز النموذجي أكثر سطوعًا من ضوء الشمس بمليون مرة.” يشرح Quanwei Li فيزيائي كمي ومهندس من بيركلي.
من خلال توضيح كيفية تصرف الفوتونات الفردية أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يقدم لنا هذا البحث معلومات مهمة حول كيفية عمل عملية تحويل الطاقة في الطبيعة. قد تكون تقنيات التمثيل الضوئي الاصطناعي يومًا ما هي مفتاح الاستمرارية والازدهار في الفضاء.
قال لي: “لبناء حاسوب كمي ، تحتاج إلى فهم كل جسيم” يضيف“لفهم الخصائص الكمومية للأنظمة الحية حقًا ، نحتاج إلى دراستها وتطوير أنظمة اصطناعية فعالة تولد أنواعًا من الوقود المتجدد.”
كانت الدراسة فرصة فريدة لاثنين من المجالات العلمية التي لا تعمل عادة معا لاستخدام والجمع بين تقنيات من البصريات الكمومية وعلم الأحياء.
“الشيء التالي ، ماذا يمكننا أن نفعل أيضًا؟” هو يقول حوت.
“هدفنا هو دراسة نقل الطاقة من الفوتونات الفردية من خلال مجمع التمثيل الضوئي في وقت قصير وعلى المقاييس المكانية.”
نشرت في الأطروحة طبيعة.
