Ερευνητές κατέδειξαν τον ρόλο που παίζει ένα μεμονωμένο σωματίδιο φωτός στα φωτοσυνθετικά βακτήρια
Ένα και μόνο σωματίδιο φωτός αρκεί για να πυροδοτήσει τα πρώτα βήματα της βιολογικής διαδικασίας που μετατρέπει το φως σε χημική ενέργεια, αναφέρουν οι ερευνητές σε μία νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό “Nature”.
Παρότι οι επιστήμονες υπέθεταν εδώ και καιρό ότι οι αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης ξεκινούν με την απορρόφηση ενός μόνο φωτονίου, κάτι τέτοιο δεν είχε αποδειχθεί έως τώρα, λέει ο φυσικοχημικός Graham Fleming από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Ο Fleming και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να δουν «εάν αληθεύει, πραγματικά, ότι αρκεί ένα φωτόνιο για να εκκινήσει η όλη διαδικασία».
Το φως του ήλιου που φτάνει στην επιφάνεια της Γης, μπορεί να φαίνεται λαμπρό στα δικά μας μάτια, στις μικρές όμως κλίμακες τα φωτόνια που φτάνουν είναι ελάχιστα. Σε κάθε τετραγωνικό νανόμετρο (στην κλίμακα, δηλαδή, των μικροσκοπικών μορίων χλωροφύλλης και βακτηριοχλωροφύλλης που παίζουν κύριο ρόλο στη φωτοσύνθεση των φυτών και των βακτηρίων) πέφτουν μόνο μερικές δεκάδες φωτόνια των κατάλληλων μηκών κύματος ανά δευτερόλεπτο.
Σε αρκετά εργαστηριακά πειράματα επάνω στη φωτοσύνθεση, η εκκίνηση των αντιδράσεων γίνεται με χρήση λέιζερ – δηλαδή με αρκετά ισχυρές πηγές φωτός. Αντίθετα, ο Fleming και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια πηγή φωτός η οποία παράγει δύο μόνο φωτόνια κάθε φορά. Το ένα φωτόνιο παίζει τον ρόλο του αγγελιοφόρου, καθώς πηγαίνει σε έναν ανιχνευτή ώστε να ενημερωθούν οι ερευνητές ότι εκπέμφθηκαν τα δύο φωτόνια. Το δεύτερο φωτόνιο εισέρχεται σε ένα διάλυμα, το οποίο περιέχει φωτοαπορροφητικές δομές του φωτοσυνθετικού βακτηρίου Rhodobacter sphaeroides. Οι δομές αυτές, που ονομάζονται σύμπλοκα φωτοσυλλογής 2 (light-harvesting 2 ή LH2), αποτελούνται από δύο δακτυλίους βακτηριοχλωροφύλλης και άλλα μόρια.
Σε μια κανονική αντίδραση φωτοσύνθεσης το LH2 απορροφά ένα φωτόνιο μεταφέροντας ενέργεια σε ένα άλλο σύμπλοκο LH2, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρει σε ένα ακόμα κ.ο.κ. Τελικά η ενέργεια φτάνει σε έναν άλλο τύπο δακτυλίου, που ονομάζεται σύμπλοκο φωτοσυλλογής 1, ή LH1, το οποίο την περνά στο κέντρο της αντίδρασης, όπου η ενέργεια μετατρέπεται σε μορφή που μπορεί να αξιοποιηθεί από το βακτήριο.
Στο πείραμα της μελέτης δεν υπήρχε LH1, οπότε το LH2 απλά εξέπεμπε ένα φωτόνιο διαφορετικού μήκους κύματος από το αρχικό, σημάδι ότι η ενέργεια είχε μεταφερθεί από τον πρώτο δακτύλιο του LH2 στον δεύτερο· ένα πρώτο βήμα για την φωτοσύνθεση. Οι ερευνητές ανίχνευσαν αυτό το δεύτερο φωτόνιο και συγκρίνοντας τον χρόνο ανίχνευσης με αυτόν του αρχικού φωτονίου “αγγελιοφόρου”, επιβεβαίωσαν ότι το LH2 χρειάζεται να απορροφήσει ένα και μόνο φωτόνιο για να εκκινήσει την διαδικασία.
Τα φυτά και τα βακτήρια ακολουθούν διαφορετικές διαδικασίες φωτοσύνθεσης, όμως τα πρώτα στάδια είναι σε μεγάλο βαθμό όμοια, οπότε και στα φυτά θα αρκούσε ένα και μόνο φωτόνιο για να πυροδοτήσει τα αρχικά βήματα, λέει ο Fleming. Ωστόσο, στην περίπτωση των φυτών απαιτούνται πολλαπλά -ανεξάρτητα απορροφούμενα- φωτόνια για να ολοκληρωθεί η αντίδραση.
Ορισμένοι επιστήμονες εικάζουν ότι η φωτοσύνθεση βασίζεται στην κβαντομηχανική. Παρότι δεν είναι σαφές το εάν αυτή η νέα τεχνική είναι σε θέση να ξεκαθαρίσει τον ρόλο των κβαντικών φαινομένων, εντούτοις θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να ξεχωρίσουν τα φυσικά φαινόμενα από τα τεχνουργήματα που δημιουργεί η χρήση έντονων πηγών φωτός σε μελέτες φωτοσύνθεσης.
«Μπορείτε πραγματικά να καταλάβετε τι συμβαίνει κατά τις πρώτες αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, σαν να συνέβαινε έξω», λέει ο Richard Cogdell, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, «[σαν να] μπορούσατε να συρρικνωθείτε και να παρακολουθήσετε αυτά τα φωτόνια να κινούνται».
Παραπομπές: Q. Li et al. Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex. Nature. Published online June 14, 2023. doi: 10.1038/s41586-023-06121-5
Πηγή: https://www.sciencenews.org/
