Photosynthesis starts with a single photon, study shows
La photosynthèse commence avec un seul photon, selon une étude
par Lawrence Berkeley National Laboratory
Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
En utilisant une distribution complexe de pigments, de protéines, d'enzymes et de co-enzymes à clous métalliques, les organismes photosynthétiques peuvent convertir l'énergie de la lumière en énergie chimique pour la vie. Et maintenant, grâce à une étude publiée le 14 juin dans Nature, nous savons que cette réaction chimique organique est sensible à la plus petite quantité de lumière possible : un seul photon.
Cette découverte renforce notre compréhension actuelle de la photosynthèse et aidera à répondre aux questions sur le fonctionnement de la vie à la plus petite échelle, là où la physique quantique et la biologie se rencontrent.
"Une énorme quantité de travail, théoriquement et expérimentalement, a été fait dans le monde entier pour essayer de comprendre ce qui se passe après l'absorption d'un photon. Mais nous avons réalisé que personne ne parlait de la première étape. C'était encore une question à laquelle il fallait répondre. en détail », a déclaré le co-auteur principal Graham Fleming, chercheur principal dans le domaine des biosciences au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur de chimie à l'UC Berkeley.
Dans leur étude, Fleming, co-auteur principal Birgitta Whaley, scientifique principale dans le domaine des sciences de l'énergie au laboratoire de Berkeley, et leurs groupes de recherche ont montré qu'un seul photon peut en effet initier la première étape de la photosynthèse chez les bactéries violettes photosynthétiques. Étant donné que tous les organismes photosynthétiques utilisent des processus similaires et partagent un ancêtre évolutif, l'équipe est convaincue que la photosynthèse chez les plantes et les algues fonctionne de la même manière. "La nature a inventé une astuce très astucieuse", a déclaré Fleming.
Comment les systèmes vivants utilisent la lumière
Sur la base de l'efficacité de la photosynthèse pour convertir la lumière du soleil en molécules riches en énergie, les scientifiques ont longtemps supposé qu'un seul photon suffisait pour déclencher la réaction, dans laquelle les photons transmettent de l'énergie aux électrons qui échangent ensuite des places avec des électrons dans différentes molécules, créant finalement les ingrédients précurseurs pour la production de sucres. Après tout, le soleil ne fournit pas autant de photons - seulement un millier de photons arrivent à une seule molécule de chlorophylle par seconde lors d'une journée ensoleillée - mais le processus se produit de manière fiable sur toute la planète.
Cependant, "personne n'avait jamais étayé cette hypothèse par une démonstration", a déclaré le premier auteur Quanwei Li, un chercheur postdoctoral conjoint qui développe de nouvelles techniques expérimentales avec la lumière quantique dans les groupes Fleming et Whaley.
Et, ce qui complique encore les choses, une grande partie de la recherche qui a révélé des détails précis sur les étapes ultérieures de la photosynthèse a été réalisée en déclenchant des molécules photosynthétiques avec de puissantes impulsions laser ultra-rapides.
"Il y a une énorme différence d'intensité entre un laser et la lumière du soleil - un faisceau laser focalisé typique est un million de fois plus brillant que la lumière du soleil", a déclaré Li. Même si vous parvenez à produire un faisceau faible avec une intensité correspondant à celle de la lumière du soleil, ils sont toujours très différents en raison des propriétés quantiques de la lumière appelées statistiques des photons. Puisque personne n'a vu le photon être absorbé, nous ne savons pas quelle différence cela fait de quel type de photon il s'agit, a-t-il expliqué. "Mais tout comme vous devez comprendre chaque particule pour construire un ordinateur quantique, nous devons étudier les propriétés quantiques des systèmes vivants pour vraiment les comprendre et créer des systèmes artificiels efficaces qui génèrent des carburants renouvelables."
La photosynthèse, comme d'autres réactions chimiques, a d'abord été comprise en masse, ce qui signifie que nous savions quels étaient les intrants et les extrants globaux, et à partir de là, nous pouvions en déduire à quoi pourraient ressembler les interactions entre les molécules individuelles. Dans les années 1970 et 1980, les progrès technologiques ont permis aux scientifiques d'étudier directement les produits chimiques individuels au cours des réactions. Maintenant, les scientifiques commencent à explorer la prochaine frontière, l'atome individuel et l'échelle des particules subatomiques, en utilisant des technologies encore plus avancées.
De l'hypothèse au fait
Concevoir une expérience qui permettrait l'observation de photons individuels signifiait réunir une équipe unique de théoriciens et d'expérimentateurs qui combinaient des outils de pointe issus de l'optique quantique et de la biologie. "C'était nouveau pour les personnes qui étudient la photosynthèse, car ils n'utilisent pas normalement ces outils, et c'était nouveau pour les personnes en optique quantique car nous ne pensons normalement pas à appliquer ces techniques à des systèmes biologiques complexes", a déclaré Whaley, qui est également professeur de physique chimique à l'UC Berkeley.
Les scientifiques ont mis en place une source de photons qui génère une seule paire de photons grâce à un processus appelé down-conversion paramétrique spontanée. Au cours de chaque impulsion, le premier photon - "le héraut" - a été observé avec un détecteur très sensible, ce qui a confirmé que le deuxième photon était en route vers l'échantillon assemblé de structures moléculaires absorbant la lumière prélevées sur des bactéries photosynthétiques. Un autre détecteur de photons près de l'échantillon a été mis en place pour mesurer le photon de plus faible énergie émis par la structure photosynthétique après avoir absorbé le deuxième photon "annoncé" de la paire d'origine.
La structure absorbant la lumière utilisée dans l'expérience, appelée LH2, a été largement étudiée. On sait que les photons à la longueur d'onde de 800 nanomètres (nm) sont absorbés par un anneau de neuf molécules de bactériochlorophylle dans LH2, provoquant le passage de l'énergie à un deuxième anneau de 18 molécules de bactériochlorophylle qui peut émettre des photons fluorescents à 850 nm. Dans les bactéries natives, l'énergie des photons continuerait à être transférée aux molécules suivantes jusqu'à ce qu'elle soit utilisée pour initier la chimie de la photosynthèse. Mais dans l'expérience, lorsque les LH2 ont été séparés des autres machines cellulaires, la détection du photon à 850 nm a servi de signe définitif que le processus avait été activé.
"Si vous n'avez qu'un seul photon, il est extrêmement facile de le perdre. C'était donc la difficulté fondamentale de cette expérience et c'est pourquoi nous utilisons le photon héraut", a déclaré Fleming. Les scientifiques ont analysé plus de 17,7 milliards d'événements de détection de photons hérauts et 1,6 million d'événements de détection de photons fluorescents annoncés pour s'assurer que les observations ne pouvaient être attribuées qu'à l'absorption d'un seul photon et qu'aucun autre facteur n'influençait les résultats.
"Je pense que la première chose est que cette expérience a montré que vous pouvez réellement faire des choses avec des photons individuels. C'est donc un point très, très important", a déclaré Whaley. "La prochaine chose est, que pouvons-nous faire d'autre ? Notre objectif est d'étudier le transfert d'énergie des photons individuels à travers le complexe photosynthétique au plus court possible
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COMMENTAIRES£
Ces résultats sont tout a fait recevables quand on se fixe unéchelle d'étude de phénomènes de type quantique :un photon unique régissant chaque fois sur l' orbitale d un des atomes 'privilégié's' et photo sensible s du receêur végétal .... le phénomène vital marcherait à tout petits pas élémentaires
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More information: Graham Fleming, Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06121-5
Journal information: Nature
Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory
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