La photosynthèse commence avec un seul photon, selon une découverte incroyable
Une nouvelle expérience a révélé comment se déroule ce processus fondamental.
Le seuil de la photosynthèse est bas : un seul photon ! Crédit photo : Jenny Nuss/Berkeley Lab
Nous sommes ici grâce à la photosynthèse. La lumière du soleil est convertie en nourriture pour les plantes et les animaux, et son sous-produit est l’oxygène. Bien que cruciale pour la vie sur Terre, les détails les plus intimes de cette réaction chimique ont longtemps échappé aux scientifiques. C’est là que la mécanique quantique et la biologie se rencontrent. Et les scientifiques y sont désormais parvenus.
Au cours des dernières années, des instruments de pointe ont commencé à fournir des observations sur le fonctionnement de la photosynthèse au niveau moléculaire. Cette nouvelle expérience complète d’autres recherches, car elle porte sur la première étape du processus : l’absorption de la lumière. Les chercheurs ont pu montrer que la réaction chimique peut commencer avec un seul photon – une seule particule de lumière.
« Une énorme quantité de travaux, théoriques et expérimentaux, a été réalisée dans le monde entier pour essayer de comprendre ce qui se passe après l’absorption d’un photon. Mais nous nous sommes rendu compte que personne ne parlait de la première étape. C’était une question à laquelle il fallait répondre en détail », a déclaré dans un communiqué Graham Fleming, co-auteur principal du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur de chimie à l’Université de Californie à Berkeley.
L’idée qu’un seul photon puisse déclencher la réaction était logique et on a supposé que c’était le cas pendant un certain temps. Mais il n’a pas été facile de prouver que c’était effectivement le cas. Il a fallu faire appel à des experts et aux dernières technologies en matière d’optique quantique et d’études biologiques.
Le dispositif comprenait une paire de photons générée spontanément par impulsions. Le premier photon – surnommé le « héraut » – était absorbé par un détecteur et l’absorption confirmait que le second allait frapper l’échantillon, composé de molécules de chlorophylle provenant d’une bactérie photosynthétique.
Si l’échantillon est activé, il est conçu pour ne pas commencer à produire des sucres et de l’oxygène, mais pour libérer un photon différent, prêt à être détecté. Sur les 17,7 milliards de photons annonciateurs qu’ils ont libérés, ils ont confirmé 1,6 million d’absorptions d’un seul photon.
« Si vous n’avez qu’un seul photon, il est très facile de le perdre. C’était donc la difficulté fondamentale de cette expérience et c’est pourquoi nous utilisons le photon annonciateur », a poursuivi M. Fleming.
L’expérience nous permet de mieux comprendre la photosynthèse, à la fois en tant que processus biologique crucial et en tant que moyen de créer artificiellement ce processus avec une grande efficacité. Cela pourrait être utilisé pour créer des carburants verts, et bien d’autres choses encore.
« Je pense que la première chose est que cette expérience a montré que l’on peut réellement faire des choses avec des photons individuels. C’est un point très, très important », a déclaré Birgitta Whaley, coauteur principal de l’étude. « L’étape suivante est de savoir ce que nous pouvons faire d’autre. Notre objectif est d’étudier le transfert d’énergie des photons individuels à travers le complexe photosynthétique aux échelles temporelles et spatiales les plus courtes possibles. »
L’étude est publiée dans la revue Nature.
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Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche
