Фотосинтез майже здається магічним. Просто виставляючи рослину на вулицю на сонце, вона виробляє енергію, необхідну для виживання, росту та розмноження. Здається, що просте поєднання світла та хімії не повинно це зробити. Але, очевидно, можна. Ми навіть давно знаємо, як фотони від Сонця (або світла) потрапляють на хлорофіл у листках рослин і викликають хімічну реакцію. Ця реакція перетворює воду та CO2 на глюкозу, яка потім перетворюється на хімічну енергію, яка живить рослину.
Цікаво, однак, що донедавна ми не знали точно, що потрібно, щоб викликати таку реакцію. У нас були свої прогнози — виходячи з того, як працює весь процес, ми припустили, що потрібен лише один фотон, щоб запустити все. І ми провели кілька тестів, хоча багато з них проводилися з лазерами, які принципово відрізняються від сонячного світла. Але досі ми не знали напевно.
«У всьому світі було проведено величезну кількість теоретичної та експериментальної роботи, щоб зрозуміти, що відбувається після поглинання фотона. Але ми зрозуміли, що ніхто не говорить про перший крок. Це все ще питання, на яке потрібно знайти детальну відповідь», — сказав у прес-релізі Грем Флемінг, один із провідних авторів нового дослідження на цю тему.
«Ніхто ніколи не підтверджував це припущення [що один фотон запустить весь процес] демонстрацією», — додав Куанвей Лі, перший автор дослідження.
Отже, Флеммінг, Лі та решта дослідницької групи вирішили відповісти на це запитання. Але для цього їм потрібно було не тільки переконатися, що в грі бере участь лише один фотон, але й відстежувати цей єдиний фотон (який, за визначенням, рухається буквально зі швидкістю світла).
Рішення полягало в тому, щоб створити джерело фотонів, яке виробляло б їх парами: один фотон-вісник, який би виявлявся під час створення пари, і один протон, який би прямував до мети. Коли фотон-вісник був помічений, дослідники спостерігали за фотоном дещо іншої довжини хвилі, який утворюється під час реакції фотосинтезу.
«Якщо у вас є лише один фотон, його дуже легко втратити. Тож це було основною складністю в цьому експерименті, і тому ми використовуємо фотон-вісник», — сказав Флемінг у прес-релізі.
У той момент, коли був помічений фотон нової довжини хвилі, дослідники зрозуміли, що вони довели свою гіпотезу — потрібен лише один фотон, щоб запустити цілий процес (хоча, правда, вони повторювали експеримент багато-багато разів). За словами дослідників, цей експеримент був особливо захоплюючим через перекриття між фотосинтезом і квантовою механікою.
«Це було новим для людей, які вивчають фотосинтез, тому що вони зазвичай не використовують ці інструменти, і це було новим для людей у квантовій оптиці, оскільки ми зазвичай не думаємо про застосування цих методів до складних біологічних систем», — сказав Біргітта Уейлі, інший провідний автор дослідження.