Το φως είναι η βάση για σχεδόν όλη τη ζωή στη Γη. Χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ήλιου, τα φυτά, τα φύκια και ορισμένα βακτήρια δημιουργούν πολύπλοκα μόρια σακχάρων που χρησιμεύουν ως θεμέλια για τις περισσότερες τροφικές αλυσίδες της φύσης. Αλλά μέρη αυτής της χημικής αντίδρασης που τροφοδοτεί τον κόσμο παρέμεναν κάπως μυστηριώδη – μέχρι τώρα.
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές παρατήρησαν τις απαρχές της φωτοσύνθεσης, ξεκινώντας από ένα μόνο φωτόνιο.
“Τεράστια ποσότητα εργασίας, θεωρητικά και πειραματικά, έχει γίνει σε όλο τον κόσμο προσπαθώντας να κατανοήσουμε τι συμβαίνει μετά την απορρόφηση του φωτονίου. Συνειδητοποιήσαμε όμως ότι κανείς δεν μιλούσε για το πρώτο βήμα”, ανέφερε σε ανακοίνωσή του ο Γκράχαμ Φλέμινγκ, χημικός στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνια και συν-συγγραφέας της νέας έρευνας. Ο Φλέμινγκ και η ομάδα του περιέγραψαν τη διαδικασία σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 14 Ιουνίου στο περιοδικό Nature.
Όταν το φως προσπίπτει στον χλωροπλάστη ενός φυτού – το εργοστάσιο σακχάρων του κόσμου των οργανιδίων – απορροφά την ενέργεια από τα εισερχόμενα φωτόνια και τη χρησιμοποιεί για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε γλυκόζη και οξυγόνο, χάρη σε μια χρωστική ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη.
Οι επιστήμονες γνώριζαν για αυτή τη διαδικασία τουλάχιστον από τα τέλη της δεκαετίας του 1700, αλλά χρειάστηκε πολύ περισσότερος χρόνος για να διαλευκάνουν τις λεπτομερείς λεπτομέρειες. Ένα ζευγάρι Γάλλων επιστημόνων απομόνωσε για πρώτη φορά τη χλωροφύλλη στις αρχές του 1800, και μέχρι το τέλος του αιώνα, ο βοτανολόγος Theodor Wilhelm Engelmann είχε αποκαλύψει το ρόλο της στην απορρόφηση του ηλιακού φωτός, σύμφωνα με μια εργασία του 2019 που δημοσιεύθηκε στο Annals of Botany. Οι ερευνητές σημείωσαν μεγαλύτερη πρόοδο στον προσδιορισμό της βιοχημείας της φωτοσύνθεσης καθ’ όλη τη διάρκεια του 20ού αιώνα, ανακαλύπτοντας, για παράδειγμα, ότι τα διεγερμένα ηλεκτρόνια βοηθούν στη μεταφορά ενέργειας μέσω των χλωροπλαστών.
Συνειδητοποίησαν επίσης ότι οι χλωροπλάστες πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητοι στο φως – άλλωστε, τα φυτά μπορούν να φωτοσυνθέτουν σε σκιερές συνθήκες και τα φωτόνια σε μια ακτίνα ηλιοφάνειας είναι σχετικά διάχυτα. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι απαιτείται μόνο ένας μικρός αριθμός φωτονίων για να ξεκινήσει η διαδικασία. Ωστόσο, κανείς δεν είχε παρατηρήσει επιτυχώς αυτό το κρίσιμο πρώτο βήμα.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές εξέτασαν τα μωβ φωτοσυνθετικά βακτήρια, τα οποία μοιράζονται έναν αρχαίο πρόγονο με τα σύγχρονα φυτά και φύκη. Έστησαν μια πηγή φωτονίων που εκπέμπει μόνο δύο φωτόνια κάθε φορά. Κατά τη διάρκεια κάθε δοκιμής, το πρώτο φωτόνιο που εκτοξεύτηκε απορροφήθηκε από έναν υπερευαίσθητο ανιχνευτή, ενώ το άλλο χτύπησε το αντίστοιχο του χλωροπλάστη του βακτηρίου. Και βέβαια, όταν το δεύτερο φωτόνιο χτύπησε το στόχο του, η φωτοσύνθεση ξεκίνησε.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν αυτή τη δοκιμή πάνω από 1,5 εκατομμύριο φορές για να διασφαλίσουν ότι το δεύτερο φωτόνιο, και όχι κάποια εξωτερική δύναμη, πυροδοτούσε τη χημική αντίδραση. Αυτό επιβεβαίωσε ότι ένα μόνο φωτόνιο ήταν αρκετό για να ξεκινήσει η φωτοσύνθεση.
“Αυτό το πείραμα έδειξε ότι μπορείτε πραγματικά να κάνετε πράγματα με μεμονωμένα φωτόνια. Αυτό λοιπόν είναι ένα πολύ, πολύ σημαντικό σημείο”, δήλωσε η Birgitta Whaley, χημικός φυσικός στο UC Berkeley και συν-συγγραφέας της μελέτης.