Jak zaczyna się fotosynteza? Wystarczy pojedynczy foton

Energia niezbędna do podtrzymywania życia na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego. Jej wykorzystanie możliwe jest dzięki fotosyntezie. To ten proces sprowadził na nasz świat rewolucję. Dzięki niemu rośliny potrafią zamieniać światło i CO2 na energię, wytwarzając przy tym tlen. Fotosynteza sprawiła, że możemy oddychać, a rośliny dzięki niej dostarczają nam pożywienie.

Dlatego śmiało można powiedzieć, że bez tego procesu nie byłoby życia na Ziemi. Nie tylko nie byłoby roślin, ale i zwierząt. Lecz to, w jaki sposób zaczynają się reakcje fotosyntezy, długo pozostawało dla nas tajemnicą. Aż do teraz.

Najnowocześniejsze technologie obrazowania opracowane na przestrzeni ostatnich lat zaczęły być wykorzystywane do badania tego fundamentalnego dla życia na Ziemi procesu. Dzięki nim uczeni otrzymali informacje na temat działania fotosyntezy na poziomie molekularnym. W nowych badaniach naukowcy z University of California w Berkeley oraz Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) wykazali, że wystarczy pojedynczy foton, by zainicjować pierwsze etapy procesu fotosyntezy u bakterii.

Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Światło słoneczne jest niezbędne, by rośliny, algi, a nawet niektóre bakterie były w stanie wytwarzać molekuły, które stają się potem pierwszymi elementami istniejących na naszej planecie łańcuchów pokarmowych. Ale w jaki sposób się to dzieje? Otóż światło pada najpierw na chloroplasty, czyli organella komórkowe u roślin, które absorbują energię z docierających do nich fotonów, a następnie korzystają z niej, by przekształcić dwutlenek węgla oraz wodę w glukozę i tlen. To wszystko umożliwia konkretny pigment, czyli chlorofil.

Jednak nie od razu naukowcy zrozumieli, w jaki sposób to wszystko się odbywa. Potrzeba było na to ponad dwóch wieków. Fotosyntezę po raz pierwszy dostrzeżono pod koniec XVIII wieku. Sam chlorofil został wyizolowany dopiero we wczesnych latach wieku XIX, a dokonała tego para francuskich naukowców. Natomiast pod koniec tego samego wieku botanik Theodor Wilhelm Engelmann odkrył jego rolę w absorpcji promieni słonecznych. Z kolei w XX wieku nauka poczyniła dalsze postępy w badaniach nad fotosyntezą, odkrywając chociażby wzbudzone elektrony, pomocne w dystrybucji energii w chloroplastach.

O samej fotosyntezie wiedzieliśmy zatem do tej pory sporo, ale nie to, jak w ogóle taki proces się zaczyna? Należy tutaj nadmienić, że same chloroplasty muszą być niezwykle wrażliwe na światło słoneczne. Pamiętajmy bowiem o tym, że fotosynteza może zachodzić również u roślin, które znajdują się w warunkach ograniczonego oświetlenia. Pojawiały się zatem hipotezy sugerujące, że aby w ogóle rozpocząć taki proces, potrzebna jest dość niewielka ilość fotonów.

Paradoksalnie przełomu w tej kwestii dokonano przeprowadzając badania nie na jednej z roślin, ale na bakterii, która ze współczesnymi roślinami, ale i algami, dzieli wspólnego praprzodka. Chodzi tutaj o tzw. bakterie purpurowe.

W swoich eksperymentach naukowcy ustawili źródło fotonów, które emitowało tylko dwa fotony na raz. Za każdym razem pierwszy z nich był wychwytywany przez niezwykle czuły detektor, co potwierdzało, że drugi foton jest w drodze do struktur molekularnych pobranych z fotosyntetyzujących bakterii - odpowiednika chloroplastu u bakterii.

I właśnie wtedy zaobserwowano, że już pojedynczy foton był w stanie zapoczątkować fotosyntezę. Jednakże aby ostatecznie się upewnić, że w istocie udało im się dokonać przełomu w badaniach, naukowcy zdecydowali się powtórzyć ten test łącznie ponad 1,5 mln razy. Zdecydowanie nie chcieli pozostawiać tutaj czegokolwiek przypadkowi. Chcieli za to zdobyć ostateczną pewność, że fotosynteza za każdym razem została "uruchomiona" właśnie przez ten jeden foton. I tę pewność uzyskali. Przy okazji zauważyli, że również pojedyncze fotony mogą być użyteczne, co może okazać się przydatne w kontekście przyszłych badań.

Źródło: Live Science, Lawrence Berkeley National Laboratory, fot. Jenny Nuss/Berkeley Lab