Demuestran que la fotosíntesis comienza con un solo fotón

Desde hace tiempo, los especialistas sostenían que la fotosíntesis podía comenzar con la absorción de un único fotón, pero no habían logrado demostrarlo hasta el momento. Ahora, un equipo de científicos estadounidense ha aplicado avanzadas técnicas experimentales para, finalmente, demostrar esta teoría y comprobar que un solo fotón es suficiente para comenzar el proceso de fotosíntesis en una variedad de bacterias moradas.

Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de Estados Unidos ha demostrado mediante un experimento de vanguardia que la fotosíntesis, una reacción química orgánica crucial para la vida en la Tierra, es sensible a la menor cantidad de luz posible: comienza con un solo fotón en las bacterias moradas utilizadas en la investigación. Los resultados del nuevo estudio, que demuestra por primera vez una hipótesis científica muy antigua, han sido publicados recientemente en la revista Nature. 

La fotosíntesis artificial podría ser la clave para colonizar otros mundos

Una hipótesis finalmente confirmada

“Se ha realizado una gran cantidad de trabajo, teórico y experimental, en todo el mundo tratando de comprender qué sucede después de que se absorbe un fotón. Pero nos dimos cuenta de que nadie hablaba del primer paso. Esa era todavía una pregunta que necesitaba ser respondida en detalle”, explicó en una nota de prensa el científico Graham Fleming, líder del equipo de investigadores. 

Basados en la eficiencia de la fotosíntesis para convertir la luz solar en moléculas ricas en energía, los científicos han asumido durante mucho tiempo que un solo fotón es todo lo que se necesita para iniciar la reacción, en un proceso en el cual los fotones pasan energía a los electrones, que luego intercambian lugares con otros electrones en diferentes moléculas, creando eventualmente los ingredientes precursores para la producción de azúcares. 

En el mismo sentido, argumentaron que el Sol no proporciona tantos fotones, solo 1.000 de ellos llegan a una sola molécula de clorofila por segundo en un día soleado. Sin embargo, el proceso ocurre de manera confiable en todo el planeta: esto sugiere que es posible desencadenarlo con una cantidad mínima de luz, o sea con un único fotón. Pero no es tan sencillo demostrarlo, porque inciden variaciones a nivel atómico y subatómico. 

Hacia lo más pequeño: los mecanismos cuánticos de la fotosíntesis

Vale recordar que la fotosíntesis es un proceso en el cual las plantas, las algas y algunos tipos de bacterias obtienen energía a partir de la exposición a la luz del Sol. En el marco de este proceso, impulsado por la energía de la luz, se crean moléculas de glucosa y otros azúcares a partir de agua y dióxido de carbono, a la par que se libera oxígeno como subproducto. 

Sin embargo, desde hace años se sabe que la fotosíntesis implica procesos a escala cuántica, que son imprescindibles para comprenderla en profundidad. Ya en 2007, un estudio publicado también en Nature por los mismos investigadores que lideraron la nueva investigación verificó el carácter cuántico de la fotosíntesis: en esa ocasión, sugirieron que el secreto de la eficiencia del proceso de la fotosíntesis podría hallarse en un mecanismo cuántico.

Ahora, los científicos instalaron un dispositivo que genera un solo par de fotones a través de un proceso llamado conversión descendente paramétrica espontánea. Durante cada pulso, el primer fotón, denominado "el heraldo", se observó con un detector de alta sensibilidad. Esto permitió confirmar que el segundo fotón se dirigía a la muestra ensamblada de estructuras moleculares absorbentes de luz, tomadas de bacterias fotosintéticas. Posteriormente, un segundo paso del experimento logró verificar que ese único fotón logró iniciar el proceso de fotosíntesis. 

Para finalizar, es importante destacar que los científicos del Berkeley Lab analizaron casi 20.000 millones de eventos de detección de fotones anunciados por el dispositivo, para garantizar que las observaciones solo pudieran atribuirse a la absorción de un solo fotón y que ningún otro factor influyera en los resultados.

Referencia

Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex. Quanwei Li, Kaydren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabines-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, Graham R. Fleming and K. Birgitta Whaley. Nature (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06121-5