Por Rebecca Dyer
Publicado no ScienceAlert
Durante a fotossíntese, uma sinfonia de produtos químicos transforma a luz na energia necessária para plantas, algas e algumas bactérias. Os cientistas agora sabem que essa reação notável requer a menor quantidade possível de luz – apenas um único fóton – para começar.
Uma equipe americana de pesquisadores em óptica quântica e biologia mostrou que um fóton solitário pode iniciar a fotossíntese nas bactérias fotossintéticas roxas, as Rhodobacter sphaeroides, e eles estão confiantes de que o processo também funciona em plantas e algas, já que todos os organismos fotossintéticos compartilham um ancestral evolutivo e processos semelhantes.
A equipe diz que suas descobertas reforçam nosso conhecimento da fotossíntese e levarão a uma melhor compreensão da interseção da física quântica em uma ampla gama de sistemas biológicos, químicos e físicos complexos, incluindo combustíveis renováveis.
“Uma grande quantidade de trabalho, teórica e experimentalmente, foi feita em todo o mundo tentando entender o que acontece depois que um fóton é absorvido”, diz Graham Fleming, bioquímico da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
“Mas percebemos que ninguém estava falando sobre o primeiro passo. Essa ainda era uma questão que precisava ser respondida em detalhes.”
As moléculas de clorofila recebem fótons do Sol, onde o elétron da clorofila fica excitado, saltando para diferentes moléculas para formar os blocos de construção do açúcar, dando alimento às plantas e liberando oxigênio.
O Sol não nos cobre com um número excessivamente generoso de fótons – em um dia ensolarado, apenas cerca de 1.000 fótons atingem uma molécula de clorofila a cada segundo – então a eficiência da fotossíntese em aproveitar a luz solar para produzir moléculas ricas em energia levou os cientistas a acreditar que um único fóton poderia iniciar esta reação.
“A natureza inventou um truque muito inteligente”, diz Fleming .
Os pesquisadores se concentraram em uma estrutura bem estudada de proteínas em bactérias roxas, chamada complexo de colheita de luz 2 (LH2), que pode absorver fótons em um determinado comprimento de onda.
Usando ferramentas especializadas, eles criaram uma fonte de fótons que produzia um par de fótons a partir de um fóton de maior energia usando conversão paramétrica descendente espontânea.
Durante um pulso, o primeiro fóton, chamado “o arauto”, foi observado com um detector altamente sensível, sinalizando a chegada de seu fóton parceiro, que interagiu com moléculas de LH2 em uma amostra de laboratório de bactéria roxa.
Quando um fóton com comprimento de onda de 800 nanômetros atingiu um anel de moléculas em LH2, a energia foi para um segundo anel, que emitiu fótons fluorescentes com comprimento de onda de 850 nanômetros.
Na natureza, essa transferência de energia continuaria até que se iniciasse o processo de fotossíntese. Encontrar um fóton com comprimento de onda de 850 nanômetros no laboratório foi um sinal claro de que esse processo havia começado, especialmente porque as estruturas do LH2 foram separadas de outras partes da célula.
O desafio era lidar com fótons únicos, que são fáceis de perder. Para contornar isso, os cientistas usaram o fóton arauto como guia.
“Acho que a primeira coisa é que esse experimento mostrou que você pode realmente fazer coisas com fótons individuais”, diz a física química Birgitta Whaley, de Berkeley. “Então esse é um ponto muito, muito importante.”
Usando um modelo de distribuição de probabilidade e um algoritmo de computador, a equipe analisou mais de 17,7 bilhões de eventos de detecção de fótons arautos e 1,6 milhão de eventos de detecção de fótons fluorescentes.
A análise completa significa que os pesquisadores estão confiantes de que os resultados foram causados apenas pela absorção de um único fóton e nenhum outro fator poderia ter tido um efeito.
Grande parte da pesquisa anterior feita nas etapas posteriores de absorção pós-luz da fotossíntese envolveu o envio de pulsos de laser poderosos e ultrarrápidos para moléculas fotossintéticas.
“Há uma enorme diferença de intensidade entre um laser e a luz do sol – um típico feixe de laser focado é um milhão de vezes mais brilhante que a luz do sol”, explica Quanwei Li, físico quântico e engenheiro de Berkeley.
Ao demonstrar como os fótons individuais se comportam durante a fotossíntese, esta pesquisa nos fornece informações importantes sobre como funciona o processo de conversão de energia da natureza. Técnicas de fotossíntese artificial podem um dia ser a chave para sobreviver de forma sustentável e prosperar no espaço.
“Assim como você precisa entender cada partícula para construir um computador quântico ”, acrescenta Li , “precisamos estudar as propriedades quânticas dos sistemas vivos para entendê-los verdadeiramente e criar sistemas artificiais eficientes que gerem combustíveis renováveis”.
Este estudo foi uma oportunidade única para duas áreas científicas que não costumam trabalhar juntas para aplicar e combinar as técnicas de óptica quântica e biologia.
“A próxima coisa é, o que mais podemos fazer?” diz Whaley.
“Nosso objetivo é estudar a transferência de energia de fótons individuais através do complexo fotossintético nas escalas temporais e espaciais mais curtas possíveis.”
A pesquisa foi publicada na Nature.
