Свет служит фундаментом для существования подавляющего большинства живых организмов на нашей планете. Однако отдельные этапы связанных с ним биохимических процессов долгое время оставались недостаточно изученными. Прорывное исследование, результаты которого опубликованы в авторитетном журнале «Nature», позволило впервые в истории науки зафиксировать самый начальный момент фотосинтеза, запускаемый всего одним фотоном — элементарной частицей света.
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез представляет собой удивительное и сложное явление, благодаря которому растения, водоросли и определённые виды бактерий превращают энергию солнечного излучения в химическую энергию, запасаемую в форме глюкозы. Этот процесс является основным источником органического вещества и кислорода на Земле.
Механизм начинается с поглощения фотонов специализированными пигментами — молекулами хлорофилла, которые содержатся в хлоропластах клеток. Захваченная энергия света затем направляется в тилакоиды — особые мембранные структуры внутри хлоропластов. Здесь она используется для синтеза двух ключевых молекул: аденозинтрифосфата (АТФ), универсального «энергетического носителя» клетки, и восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН), выполняющего роль переносчика электронов и водорода.
На следующем этапе, используя энергию АТФ и восстановительную силу НАДФН, растение преобразует углекислый газ (CO₂) из атмосферы в глюкозу. Этот сахар служит основным строительным материалом и источником энергии для роста и развития организма. Важнейшим побочным продуктом фотосинтеза является молекулярный кислород (O₂), выделяемый в атмосферу и необходимый для дыхания подавляющего большинства живых существ.
Хотя общие принципы фотосинтеза были известны учёным ещё с XVIII века, детальное понимание каждого этапа пришло гораздо позже, с развитием современных технологий.
Обратите внимание: Большой адронный коллайдер обнаружил новые частицы.
Было очевидно, что фотосинтетические системы обладают чрезвычайно высокой чувствительностью, позволяя растениям эффективно работать даже в условиях слабой освещённости, где фотоны редки. Логично было предположить, что для инициации процесса достаточно минимального количества световых частиц, но прямое экспериментальное подтверждение этого факта долгое время отсутствовало. Новое исследование наконец позволило это сделать.Эксперимент: достаточно одного фотона
Для проведения уникального эксперимента команда исследователей из Калифорнийского университета в Беркли выбрала в качестве объекта изучения пурпурные несерные бактерии. Эти организмы, как и растения, способны к фотосинтезу, но используют для этого иные пигменты — бактериохлорофиллы. Они считаются эволюционными родственниками предков современных растений, что делает их отличной моделью для изучения фундаментальных основ процесса.
Учёные создали специальную установку с источником света, который мог испускать строго по два фотона за один раз. В каждом цикле эксперимента первый фотон регистрировался сверхчувствительным детектором, что служило сигналом, а второй направлялся на фотосинтетический комплекс бактерии. Тщательный анализ показал, что попадание именно этого второго, одиночного фотона в систему неизменно запускало цепь фотосинтетических реакций.
Для исключения случайных факторов и получения статистически достоверных результатов эксперимент был повторен более 1.5 миллионов раз. Результаты однозначно доказали, что химическая реакция фотосинтеза действительно может быть инициирована поглощением всего одной частицы света. Это открытие подчёркивает невероятную эффективность и тонкую настройку природных систем, способных улавливать и использовать даже мельчайшие порции энергии в условиях, когда Солнце испускает огромное количество фотонов.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Хотя свет является основой почти всей жизни на Земле, некоторые части этих химических реакций до сих пор оставались несколько загадочными.