BERKELEY, California — ¿Cuánta luz realmente se necesita para desencadenar la fotosíntesis? Los científicos han descubierto que solo se necesita un solo fotón para iniciar el proceso mediante el cual las plantas y otros organismos convierten la energía lumínica en energía química. Este avance solidifica nuestra comprensión de este vital proceso biológico y revela la fascinante intersección de la física cuántica y la biología.

«Se ha realizado una gran cantidad de trabajo, tanto teórico como experimental, en todo el mundo tratando de entender qué sucede después de que se absorbe un fotón. Pero nos dimos cuenta de que nadie estaba hablando del primer paso», dice el coautor del estudio, Graham Fleming, en un comunicado de prensa.

Investigando las bacterias púrpuras fotosintéticas, los investigadores demostraron que un solo fotón puede, de hecho, iniciar la fotosíntesis. Dado que todos los organismos fotosintéticos emplean procesos similares y comparten un ancestro común, este descubrimiento tiene implicaciones para comprender la fotosíntesis en plantas y algas también. La naturaleza ha ideado un truco ingenioso en estos organismos, como lo describe Fleming.

Los científicos han asumido durante mucho tiempo que un solo fotón podría iniciar la fotosíntesis debido a su alta eficiencia en la conversión de la luz solar en moléculas ricas en energía. En un día soleado, solo alrededor de mil fotones llegan a una sola molécula de clorofila por segundo, sin embargo, el proceso ocurre de manera confiable en todo el mundo.

Sin embargo, esta suposición carecía de evidencia experimental hasta ahora. Además, estudios previos sobre la fotosíntesis utilizaban potentes pulsos láser para desencadenar las moléculas fotosintéticas, lo que difería en gran medida de la luz solar en términos de intensidad y propiedades cuánticas.

Para abordar esta brecha de conocimiento, el equipo de investigación diseñó un experimento único que combinaba la óptica cuántica y la biología. Configuraron una fuente de fotones que generaba un par único de fotones. El primer fotón, llamado «el heraldo», fue detectado por un detector altamente sensible para confirmar la llegada inminente del segundo fotón, que fue dirigido hacia una muestra de estructuras moleculares que absorben la luz derivadas de bacterias fotosintéticas.

Otro detector de fotones cerca de la muestra midió el fotón de menor energía emitido por la estructura fotosintética después de absorber el segundo fotón. La detección del fotón emitido indicaba que el proceso se había activado.

La estructura experimental utilizada, llamada LH2, está bien estudiada. Está compuesta por moléculas de bacterioclorofila que absorben fotones en una longitud de onda de 800 nanómetros y transfieren energía a un segundo anillo de moléculas de bacterioclorofila, que emiten fotones fluorescentes a 850 nanómetros. En el experimento, cuando la estructura aislada LH2 emitía fotones a 850 nanómetros, confirmaba la activación de la fotosíntesis.

Analizando más de 17.7 mil millones de eventos de detección de fotones heraldo y 1.6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes heraldo, los científicos aseguraron que las observaciones se atribuyeran únicamente a la absorción de un solo fotón. Este enfoque riguroso eliminó otros posibles factores influyentes.

La importancia de este experimento radica no solo en demostrar lo que se puede lograr con fotones individuales, sino también en abrir la puerta a investigaciones adicionales. Los investigadores tienen como objetivo explorar la transferencia de energía en las escalas temporales y espaciales más pequeñas posibles dentro del complejo fotosintético.

El estudio se publica en la revista Nature.