La fotosíntesis es uno de los procesos fundamentales en la vida de los organismos fotosintéticos, permitiéndoles convertir la energía de la luz en energía química vital. Gracias a una nueva investigación cuyos resultados fueron publicados en junio en Nature, ahora sabemos que esta reacción química orgánica es sensible a la cantidad más pequeña de luz posible: un solo fotón.
Este descubrimiento consolida nuestro entendimiento actual de la fotosíntesis y nos ayudará a responder preguntas sobre cómo funciona la vida a la escala más diminuta, donde se encuentran la física cuántica y la biología.
El primer paso en la fotosíntesis
El estudio, liderado por Graham Fleming y Birgitta Whaley, científicos de la Universidad de California en Berkeley y del Lawrence Berkeley National Laboratory, demostró que un solo fotón puede iniciar el primer paso de la fotosíntesis en bacterias fotosintéticas púrpuras. Dado que todos los organismos fotosintéticos utilizan procesos similares y comparten un ancestro evolutivo, el equipo está seguro de que la fotosíntesis en plantas y algas funciona de la misma manera. Como menciona Fleming, «La naturaleza inventó un truco muy ingenioso».
La eficiencia de la fotosíntesis en la conversión de la luz solar en moléculas ricas en energía ha llevado a los científicos a suponer durante mucho tiempo que un solo fotón era suficiente para iniciar la reacción. Después de todo, el sol no proporciona tantos fotones: solo mil fotones llegan a una molécula de clorofila por segundo en un día soleado, y sin embargo, el proceso ocurre de manera confiable en todo el planeta.
Sin embargo, como menciona Quanwei Li, uno de los investigadores del estudio, nadie había respaldado esa suposición con una demostración hasta ahora. Además, gran parte de la investigación que ha revelado detalles precisos sobre los pasos posteriores de la fotosíntesis se ha realizado mediante la activación de moléculas fotosintéticas con pulsos láser potentes y ultrarrápidos.
El desafío de estudiar fotones individuales
Diseñar un experimento que permitiera la observación de fotones individuales implicó reunir a un equipo único de teóricos y experimentalistas que combinaron herramientas de vanguardia de la óptica cuántica y la biología. Los científicos crearon una fuente de fotones que generaba un par único de fotones a través de un proceso llamado conversión paramétrica descendente espontánea.
Durante cada pulso, se observaba el primer fotón, denominado «heraldo», con un detector altamente sensible, lo que confirmaba que el segundo fotón se dirigía a la muestra de estructuras moleculares fotosintéticas. Otro detector de fotones, ubicado cerca de la muestra, estaba configurado para medir el fotón de menor energía que se emitía por la estructura fotosintética después de absorber el segundo fotón «anunciado» del par original.
El experimento se centró en una estructura conocida como LH2, que ha sido estudiada extensamente. Se sabe que los fotones de longitud de onda de 800 nanómetros son absorbidos por un anillo de 9 moléculas de bacterioclorofila en el LH2, lo que provoca la transferencia de energía a un segundo anillo de 18 moléculas de bacterioclorofila que pueden emitir fotones fluorescentes a 850 nanómetros. En el experimento, la detección del fotón a 850 nanómetros sirvió como señal definitiva de que el proceso se había activado.
Los resultados y el futuro de la investigación
Los científicos analizaron más de 17,7 mil millones de eventos de detección de fotones heraldo y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes anunciados para asegurarse de que las observaciones solo se pudieran atribuir a la absorción de un solo fotón y que no hubiera otros factores que influyeran en los resultados.
Este experimento ha demostrado que es posible realizar investigaciones con fotones individuales, lo cual es un avance muy importante. El siguiente paso es explorar qué más podemos lograr. El objetivo de los investigadores es estudiar la transferencia de energía de fotones individuales a través del complejo fotosintético en las escalas temporales y espaciales más cortas posibles.
Este estudio no solo contribuye al conocimiento fundamental de la fotosíntesis y cómo las plantas y otros organismos convierten la luz en energía, sino que también puede tener aplicaciones en el diseño de sistemas artificiales más eficientes que generen combustibles renovables. Al comprender las propiedades cuánticas de los sistemas vivos, se puede abrir la puerta a nuevas tecnologías y enfoques para la producción de energía limpia y sostenible.
En resumen, este estudio pionero ha revelado que un solo fotón puede iniciar el proceso de la fotosíntesis, lo cual representa un hito importante en nuestra comprensión de la vida a nivel cuántico. Continuar explorando los misterios de la fotosíntesis nos ayudará a desvelar los secretos de cómo la naturaleza utiliza la luz para alimentar la vida en nuestro planeta y cómo podemos aplicar esos conocimientos para construir un futuro más sostenible.
Créditos de imagen de portada: Jenny Nuss/Berkeley Lab
