Les organismes photosynthétiques, grâce à des processus biochimiques complexes, convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique vitale. Une étude récente a confirmé que cette réaction peut être initiée par l’absorption d’un seul photon, reliant ainsi les domaines de la physique quantique et de la biologie. Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
Une expérience de pointe a dévoilé la dynamique quantique qui sous-tend l’un des processus les plus essentiels de la nature.
En utilisant un ensemble complexe de pigments, de protéines, d’enzymes et de coenzymes à base de métal, les organismes photosynthétiques peuvent convertir l’énergie de la lumière en énergie chimique nécessaire à la vie. Une étude récemment publiée dans Nature a maintenant révélé que ce processus chimique naturel est sensible à la plus petite quantité de lumière possible – une seule photon.
La découverte renforce notre compréhension actuelle de photosynthèse et aidera à répondre aux questions sur le fonctionnement de la vie à la plus petite des échelles, là où la physique quantique et la biologie se rencontrent.
« De nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont été réalisés dans le monde entier pour tenter de comprendre ce qui se passe après l’absorption d’un photon. Mais on s’est rendu compte que personne ne parlait de la première étape. C’était encore une question à laquelle il fallait répondre en détail », a déclaré le co-auteur principal Graham Fleming, chercheur principal dans le domaine des biosciences au Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et professeur de chimie à l’UC Berkeley.
Dans leur étude, Fleming, co-auteur principal Birgitta Whaley, chercheuse principale dans le domaine des sciences de l’énergie au laboratoire de Berkeley, et leurs groupes de recherche ont montré qu’un seul photon peut en effet initier la première étape de la photosynthèse chez les bactéries violettes photosynthétiques. Étant donné que tous les organismes photosynthétiques utilisent des processus similaires et partagent un ancêtre évolutif, l’équipe est convaincue que la photosynthèse des plantes et des algues fonctionne de la même manière. « La nature a inventé une astuce très intelligente », a déclaré Fleming.
Comment les systèmes vivants utilisent la lumière
En se basant sur l’efficacité de la photosynthèse pour convertir la lumière solaire en molécules riches en énergie, les scientifiques ont longtemps supposé qu’un seul photon suffisait pour initier la réaction, dans laquelle les photons transmettent de l’énergie aux électrons qui échangent ensuite leur place avec les électrons de différentes molécules, créant finalement les ingrédients précurseurs pour la production de sucres. Après tout, le soleil ne fournit pas beaucoup de photons – seuls un millier de photons arrivent à une seule molécule de chlorophylle par seconde lors d’une journée ensoleillée – et pourtant le processus se déroule de manière fiable sur toute la planète.
Cependant, « personne n’a jamais étayé cette hypothèse par une démonstration », a déclaré le premier auteur Quanwei Li, chercheur postdoctoral conjoint qui développe de nouvelles techniques expérimentales avec la lumière quantique dans les groupes Fleming et Whaley.
Et, ce qui complique encore les choses, une grande partie des recherches qui ont permis de découvrir des détails précis sur les étapes ultérieures de la photosynthèse ont été réalisées en déclenchant des molécules photosynthétiques avec des impulsions laser puissantes et ultrarapides.
Le co-auteur principal Graham Fleming, à gauche, et le premier auteur Quanwei Li à proximité de certains des équipements utilisés dans leur expérience de pointe. Crédit : Henry Lam/Laboratoire Fleming
« Il existe une énorme différence d’intensité entre un laser et la lumière du soleil : un faisceau laser focalisé typique est un million de fois plus lumineux que la lumière du soleil », a déclaré Li. Même si vous parvenez à produire un faisceau faible avec une intensité correspondant à celle de la lumière solaire, ils restent très différents en raison des propriétés quantiques de la lumière appelées statistiques photoniques. Puisque personne n’a vu le photon être absorbé, nous ne savons pas quelle différence cela fait ni de quel type de photon il s’agit, a-t-il expliqué. « Mais tout comme il faut comprendre chaque particule pour construire un ordinateur quantique, nous devons étudier les propriétés quantiques des systèmes vivants pour vraiment les comprendre et créer des systèmes artificiels efficaces qui génèrent des carburants renouvelables. »
La photosynthèse, comme d’autres réactions chimiques, a d’abord été comprise de manière globale – ce qui signifie que nous connaissions les entrées et les sorties globales, et à partir de là, nous pouvions déduire à quoi pourraient ressembler les interactions entre les molécules individuelles. Dans les années 1970 et 1980, les progrès technologiques ont permis aux scientifiques d’étudier directement les produits chimiques individuels au cours des réactions. Aujourd’hui, les scientifiques commencent à explorer la prochaine frontière, celle de l’individu. atomeet à l’échelle des particules subatomiques, en utilisant des technologies encore plus avancées.
De l’hypothèse au fait
Concevoir une expérience permettant l’observation de photons individuels impliquait de réunir une équipe unique de théoriciens et d’expérimentateurs combinant des outils de pointe issus de l’optique quantique et de la biologie. « C’était nouveau pour les personnes qui étudient la photosynthèse, car ils n’utilisent normalement pas ces outils, et c’était nouveau pour les spécialistes de l’optique quantique, car nous ne pensons normalement pas à appliquer ces techniques à des systèmes biologiques complexes », a déclaré Whaley, qui est également professeur de physique chimique à l’UC Berkeley.
Les scientifiques ont mis en place une source de photons qui génère une seule paire de photons grâce à un processus appelé conversion paramétrique spontanée. Au cours de chaque impulsion, le premier photon – « le héraut » – a été observé avec un détecteur très sensible, qui a confirmé que le deuxième photon était en route vers l’échantillon assemblé de structures moléculaires absorbant la lumière prélevées sur des bactéries photosynthétiques. Un autre détecteur de photons à proximité de l’échantillon a été installé pour mesurer le photon de plus faible énergie émis par la structure photosynthétique après avoir absorbé le deuxième photon « annoncé » de la paire d’origine.
La structure absorbant la lumière utilisée dans l’expérience, appelée LH2, a été étudiée de manière approfondie. On sait que les photons d’une longueur d’onde de 800 nanomètres (nm) sont absorbés par un anneau de 9 molécules de bactériochlorophylle dans LH2, provoquant le transfert d’énergie vers un deuxième anneau de 18 molécules de bactériochlorophylle qui peuvent émettre des photons fluorescents à 850 nm. Chez les bactéries natives, l’énergie des photons continuerait à être transférée aux molécules suivantes jusqu’à ce qu’elle soit utilisée pour initier la chimie de la photosynthèse. Mais dans l’expérience, lorsque les LH2 ont été séparées des autres machines cellulaires, la détection du photon de 850 nm a constitué un signe définitif de l’activation du processus.
« Si vous n’avez qu’un seul photon, il est extrêmement facile de le perdre. C’était donc la difficulté fondamentale de cette expérience et c’est pourquoi nous utilisons le photon héraut », a déclaré Fleming. Les scientifiques ont analysé plus de 17,7 milliards d’événements de détection de photons annoncés et 1,6 million d’événements de détection de photons fluorescents annoncés pour s’assurer que les observations ne pouvaient être attribuées qu’à l’absorption d’un photon unique et qu’aucun autre facteur n’influençait les résultats.
« Je pense que la première chose est que cette expérience a montré qu’il est possible de faire des choses avec des photons individuels. C’est donc un point très, très important », a déclaré Whaley. « La prochaine chose est : que pouvons-nous 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.
