أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تقوم سمفونية من المواد الكيميائية بتحويل الضوء إلى الطاقة اللازمة للنبات والطحالب وبعض الحياة البكتيرية. يعرف العلماء الآن أن هذا التفاعل الرائع يتطلب أقل كمية ممكنة من الضوء – ضوء واحد فقط الفوتون – لتبدأ.
أظهر فريق من الباحثين الأمريكيين في البصريات الكمومية وعلم الأحياء أن فوتونًا واحدًا يمكن أن يبدأ البناء الضوئي في البكتيريا الأرجواني رودوباكتر سبيرويدس، وهم واثقون من 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 وستؤدي إلى فهم أفضل لتقاطع فيزياء الكم في مجموعة واسعة من الأنظمة البيولوجية والكيميائية والفيزيائية المعقدة ، بما في ذلك الوقود المتجدد.
“لقد تم إنجاز قدر هائل من العمل ، نظريًا وتجريبيًا ، حول العالم في محاولة لفهم ما يحدث بعد امتصاص الفوتون ،” يقول جراهام فليمنج ، عالم الكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي.
“لكننا أدركنا أن لا أحد كان يتحدث عن الخطوة الأولى. كان هذا سؤالاً لا يزال بحاجة إلى إجابة تفصيلية.”
الكلوروفيل تستقبل الجزيئات الفوتونات من الشمس ، حيث يصبح إلكترون الكلوروفيل متحمسًا ، وينتقل إلى جزيئات مختلفة لتشكيل اللبنات الأساسية للسكر ، مما يمنح النباتات الطعام ويطلق الأكسجين.
لا تمطرنا الشمس بعدد كبير جدًا من الفوتونات – في يوم مشمس ، يصل حوالي 1000 فوتون فقط إلى جزيء الكلوروفيل كل ثانية – لذا فإن كفاءة التمثيل الضوئي في تسخير ضوء الشمس لإنتاج جزيئات غنية بالطاقة دفعت العلماء إلى الاعتقاد بأن يمكن لفوتون واحد أن يبدأ هذا التفاعل.
“اخترعت الطبيعة حيلة ذكية للغاية ،” فليمنج يقول.
ركز الباحثون على بنية مدروسة جيدًا للبروتينات في البكتيريا الأرجوانية تسمى حصاد خفيف 2 (LH2) ، يمكنه امتصاص الفوتونات عند طول موجي معين.
باستخدام أدوات متخصصة ، أنشأوا مصدرًا للفوتون صنع زوجًا من الفوتونات من فوتون واحد ذي طاقة أعلى باستخدام عفوية حد التحويل إلى أسفل.
أثناء النبضة ، لوحظ الفوتون الأول ، المسمى “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 موجة 800 نانومتر بحلقة من الجزيئات في LH2 ، ذهبت الطاقة إلى حلقة ثانية ، والتي أعطت فوتونات فلورية بطول موجي 850 نانومتر.
في الطبيعة ، سيستمر نقل الطاقة هذا حتى تبدأ عملية التمثيل الضوئي. كان العثور على فوتون بطول موجي 850 نانومتر في المختبر علامة واضحة على أن هذه العملية قد بدأت ، خاصة وأن هياكل LH2 تم فصلها عن أجزاء أخرى من الخلية.
كان التحدي يتمثل في التعامل مع فوتونات مفردة ، يسهل فقدانها. للالتفاف حول هذا ، استخدم العلماء الفوتون كمرشد.
“أعتقد أن أول شيء هو أن هذه التجربة أظهرت أنه يمكنك فعلًا فعل أشياء باستخدام الفوتونات الفردية ،” يقول الفيزيائية الكيميائية بيرجيتا والي من بيركلي. “لذا فهذه نقطة مهمة للغاية.”
باستخدام نموذج التوزيع الاحتمالي وخوارزمية الكمبيوتر ، قام الفريق بتحليل أكثر من 17.7 مليار حدث للكشف عن الفوتون و 1.6 مليون حدث للكشف عن الفوتون الفلوري.
يعني التحليل الشامل أن الباحثين واثقون من أن النتائج كانت ناتجة فقط عن امتصاص فوتون واحد ولا يمكن أن يكون لعوامل أخرى تأثير.
الكثير من بحث مسبق تضمنت خطوات البناء الضوئي التي تم إجراؤها لاحقًا ، بعد امتصاص الضوء ، إرسال نبضات ليزر قوية وفائقة السرعة إلى جزيئات التمثيل الضوئي.
“هناك فرق كبير في الشدة بين الليزر وضوء الشمس – شعاع الليزر المركّز النموذجي أكثر سطوعًا بمليون مرة من ضوء الشمس ،” 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 البقاء على قيد الحياة والازدهار في الفضاء بشكل مستدام.
“مثلما تحتاج إلى فهم كل جسيم لبناء كمبيوتر كمي ،” لي يضيف، “نحن بحاجة إلى دراسة الخصائص الكمية للأنظمة الحية لفهمها حقًا وإنشاء أنظمة اصطناعية فعالة تولد أنواعًا من الوقود المتجدد.”
كانت هذه الدراسة فرصة فريدة لمجالين علميين لا يعملان عادةً معًا لتطبيق تقنيات البصريات الكمومية وعلم الأحياء والجمع بينهما.
“الشيء التالي هو ، ماذا يمكننا أن نفعل أيضًا؟” يقول ويلي.
“هدفنا هو دراسة نقل الطاقة من الفوتونات الفردية من خلال مجمع التمثيل الضوئي في أقصر المقاييس الزمانية والمكانية الممكنة.”
تم نشر البحث في طبيعة.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
