اكتشف العلماء أخيرًا كيف يبدأ التمثيل الضوئي – بإطلاقه بفوتون واحد
الضوء هو أساس كل أشكال الحياة على الأرض تقريبًا. باستخدام الطاقة من الشمس ، تخلق النباتات والطحالب وبعض البكتيريا جزيئات سكر معقدة تعمل كأساس لمعظم سلاسل الغذاء في الطبيعة. لكن أجزاء من هذا التفاعل الكيميائي الذي يغذي العالم ظلت إلى حد ما غامضة – حتى الآن.
لأول مرة ، لاحظ الباحثون بدايات البناء الضوئي، بدءًا من فوتون واحد.
“لقد تم إنجاز قدر هائل من العمل ، نظريًا وتجريبيًا ، حول العالم في محاولة لفهم ما يحدث بعد امتصاص الفوتون. لكننا أدركنا أنه لا أحد يتحدث عن الخطوة الأولى ،” جراهام فليمنج، الكيميائي في جامعة كاليفورنيا بيركلي والمؤلف المشارك للبحث الجديد ، قال في أ إفادة. وصف فليمنج وفريقه العملية في دراسة نشرت في 14 يونيو في المجلة طبيعة.
متعلق ب: اكتشف العلماء عن طريق الخطأ أن التمثيل الضوئي لا يعمل تمامًا كما كنا نظن أنه يعمل
عندما يصطدم الضوء بالبلاستيدات الخضراء للنبات – مصنع السكر في عالم العضيات – فإنه يمتص الطاقة من الفوتونات الواردة ويستخدمها للدوران. ثاني أكسيد الكربون ويتحول الماء إلى جلوكوز وأكسجين بفضل صبغة تسمى الكلوروفيل.
لقد عرف العلماء عن هذه العملية منذ أواخر القرن الثامن عشر على الأقل ، لكن الأمر استغرق وقتًا أطول لكشف التفاصيل الدقيقة. قام اثنان من العلماء الفرنسيين بعزل الكلوروفيل لأول مرة في أوائل القرن التاسع عشر ، وبحلول نهاية القرن ، كشف عالم النبات تيودور فيلهلم إنجلمان عن دوره في امتصاص ضوء الشمس ، وفقًا لورقة بحثية نُشرت عام 2019 في مجلة Theodor Wilhelm Engelmann. حوليات علم النبات. حقق الباحثون مزيدًا من التقدم في تحديد الكيمياء الحيوية لعملية التمثيل الضوئي طوال القرن العشرين ، واكتشفوا ، على سبيل المثال ، أن الإلكترونات المثارة تساعد في نقل الطاقة عبر البلاستيدات الخضراء.
لقد أدركوا أيضًا أن البلاستيدات الخضراء يجب أن تكون حساسة جدًا للضوء – ففي النهاية ، يمكن للنباتات البناء الضوئي في ظروف مظللة ، والفوتونات الموجودة في شعاع الشمس منتشرة نسبيًا. افترض العلماء أن هناك حاجة إلى عدد قليل فقط من الفوتونات لبدء العملية. ومع ذلك ، لم يلاحظ أحد هذه الخطوة الأولى الحاسمة بنجاح.
في الدراسة الجديدة ، نظر الباحثون في بكتيريا التمثيل الضوئي الأرجواني ، التي تشترك في سلف قديم مع نباتات العصر الحديث والطحالب. لقد أنشأوا مصدرًا للفوتون يبث فقط فوتونين في المرة الواحدة. خلال كل اختبار ، يُمتص الفوتون الأول الذي تم إطلاقه بواسطة كاشف فائق الحساسية ، بينما يصطدم الآخر بما يعادل البكتريا البلاستيدات الخضراء. من المؤكد أنه عندما ضرب الفوتون الثاني هدفه ، بدأت عملية التمثيل الضوئي.
أجرى الباحثون هذا الاختبار أكثر من 1.5 مليون مرة للتأكد من أن الفوتون الثاني ، وليس بعض القوة الخارجية ، هو الذي يتسبب في التفاعل الكيميائي. أكد هذا أن فوتونًا واحدًا فقط كان كافياً لبدء عملية التمثيل الضوئي.
“أظهرت هذه التجربة أنه يمكنك فعلاً فعل أشياء باستخدام الفوتونات الفردية. لذا فهذه نقطة مهمة جدًا جدًا ،” بيرجيتا واليقال عالم الفيزياء الكيميائية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي والمؤلف المشارك للدراسة ، في بيان.
