Utilizzando un complesso cast di pigmenti, proteine, enzimi e coenzimi tempestati di metallo, gli organismi fotosintetici possono convertire l’energia della luce in energia chimica per la vita. E ora, grazie a uno studio pubblicato il 14 giugno in Naturasappiamo che questa reazione chimica organica è sensibile alla più piccola quantità di luce possibile: un singolo fotone.
La scoperta consolida la nostra attuale comprensione della fotosintesi e aiuterà a rispondere a domande su come funziona la vita sulle scale più piccole, dove la fisica quantistica e la biologia si incontrano.
“Un’enorme quantità di lavoro, teoricamente e sperimentalmente, è stata fatta in tutto il mondo cercando di capire cosa succede dopo che un fotone è stato assorbito. Ma ci siamo resi conto che nessuno stava parlando del primo passo. Quella era ancora una domanda a cui bisognava rispondere in dettaglio”, ha affermato il co-autore principale Graham Fleming, uno scienziato senior della facoltà nell’area delle bioscienze presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professore di chimica presso la UC Berkeley.
Nel loro studio, Fleming, la co-autrice Birgitta Whaley, scienziata senior della facoltà di scienze energetiche del Berkeley Lab, e i loro gruppi di ricerca hanno dimostrato che un singolo fotone può effettivamente avviare il primo passaggio della fotosintesi nei batteri viola fotosintetici. Poiché tutti gli organismi fotosintetici utilizzano processi simili e condividono un antenato evolutivo, il team è fiducioso che la fotosintesi nelle piante e nelle alghe funzioni allo stesso modo. “La natura ha inventato un trucco molto intelligente”, ha detto Fleming.
Come i sistemi viventi usano la luce
Sulla base dell’efficienza della fotosintesi nel convertire la luce solare in molecole ricche di energia, gli scienziati hanno a lungo ipotizzato che un singolo fotone fosse tutto ciò che serviva per avviare la reazione, in cui i fotoni passano l’energia agli elettroni che poi si scambiano di posto con gli elettroni in diverse molecole, creando infine gli ingredienti precursori per la produzione di zuccheri. Dopotutto, il sole non fornisce così tanti fotoni – solo un migliaio di fotoni arrivano a una singola molecola di clorofilla al secondo in una giornata di sole – eppure il processo avviene in modo affidabile in tutto il pianeta.
Tuttavia, “nessuno aveva mai sostenuto tale ipotesi con una dimostrazione”, ha affermato il primo autore Quanwei Li, un ricercatore post-dottorato congiunto che sviluppa nuove tecniche sperimentali con la luce quantistica nei gruppi Fleming e Whaley.
E, a complicare ulteriormente le cose, gran parte della ricerca che ha svelato dettagli precisi sulle fasi successive della fotosintesi è stata eseguita attivando molecole fotosintetiche con impulsi laser potenti e ultraveloci.
“C’è un’enorme differenza di intensità tra un laser e la luce solare: un tipico raggio laser focalizzato è un milione di volte più luminoso della luce solare”, ha affermato Li. Anche se riesci a produrre un raggio debole con un’intensità pari a quella della luce solare, sono ancora molto diversi a causa delle proprietà quantistiche della luce chiamate statistiche dei fotoni. Dal momento che nessuno ha visto il fotone essere assorbito, non sappiamo che differenza faccia che tipo di fotone sia, ha spiegato. “Ma proprio come è necessario comprendere ogni particella per costruire un computer quantistico, dobbiamo studiare le proprietà quantistiche dei sistemi viventi per comprenderle veramente e creare sistemi artificiali efficienti che generino combustibili rinnovabili”.
La fotosintesi, come altre reazioni chimiche, è stata inizialmente compresa alla rinfusa, il che significa che sapevamo quali erano gli input e gli output complessivi e da ciò potevamo dedurre come potevano essere le interazioni tra le singole molecole. Negli anni ’70 e ’80, i progressi tecnologici hanno consentito agli scienziati di studiare direttamente le singole sostanze chimiche durante le reazioni. Ora, gli scienziati stanno iniziando a esplorare la prossima frontiera, la scala dell’atomo individuale e delle particelle subatomiche, utilizzando tecnologie ancora più avanzate.
Dall’ipotesi al fatto
Progettare un esperimento che consentisse l’osservazione di singoli fotoni significava riunire un team unico di teorici e sperimentatori che combinavano strumenti all’avanguardia dell’ottica quantistica e della biologia. “Era nuovo per le persone che studiano la fotosintesi, perché normalmente non usano questi strumenti, ed era nuovo per le persone in ottica quantistica perché normalmente non pensiamo di applicare queste tecniche a sistemi biologici complessi”, ha detto Whaley, che è anche professore di fisica chimica alla UC Berkeley.
Gli scienziati hanno creato una sorgente di fotoni che genera una singola coppia di fotoni attraverso un processo chiamato down-conversion parametrica spontanea. Durante ogni impulso, il primo fotone – “l’araldo” – è stato osservato con un rivelatore altamente sensibile, che ha confermato che il secondo fotone era in viaggio verso il campione assemblato di strutture molecolari che assorbono la luce prelevate dai batteri fotosintetici. Un altro rilevatore di fotoni vicino al campione è stato installato per misurare il fotone a bassa energia che viene emesso dalla struttura fotosintetica dopo aver assorbito il secondo fotone “annunciato” della coppia originale.
La struttura che assorbe la luce utilizzata nell’esperimento, chiamata LH2, è stata ampiamente studiata. È noto che i fotoni alla lunghezza d’onda di 800 nanometri (nm) vengono assorbiti da un anello di 9 molecole di batterioclorofilla in LH2, provocando il passaggio di energia a un secondo anello di 18 molecole di batterioclorofilla che possono emettere fotoni fluorescenti a 850 nm. Nei batteri nativi, l’energia dei fotoni continuerebbe a trasferirsi alle molecole successive fino a quando non viene utilizzata per avviare la chimica della fotosintesi. Ma nell’esperimento, quando gli LH2 erano stati separati da altri macchinari cellulari, il rilevamento del fotone a 850 nm è servito come segno definitivo che il processo era stato attivato.
“Se hai solo un fotone, è terribilmente facile perderlo. Quindi questa è stata la difficoltà fondamentale in questo esperimento ed è per questo che usiamo il fotone araldo”, ha detto Fleming. Gli scienziati hanno analizzato più di 17,7 miliardi di eventi di rilevamento di fotoni annunciati e 1,6 milioni di eventi di rilevamento di fotoni fluorescenti annunciati per garantire che le osservazioni potessero essere attribuite solo all’assorbimento di un singolo fotone e che nessun altro fattore stesse influenzando i risultati.
“Penso che la prima cosa sia che questo esperimento ha dimostrato che puoi effettivamente fare cose con singoli fotoni. Quindi questo è un punto molto, molto importante”, ha detto Whaley. “La prossima cosa è, cos’altro possiamo fare? Il nostro obiettivo è studiare il trasferimento di energia dai singoli fotoni attraverso il complesso fotosintetico alle scale temporali e spaziali più brevi possibili”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
