Grâce à un complexe ensemble de pigments à clous métalliques, de protéines, d’enzymes et de co-enzymes, les organismes photosynthétiques sont capables de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique nécessaire à la vie.
Une recherche révèle que cette réaction chimique organique est sensible à la plus petite quantité de lumière possible : un seul photon.
Cette découverte publiée dans Nature confirme notre compréhension actuelle de la photosynthèse et aidera à répondre aux questions sur la façon dont la vie fonctionne à l’échelle la plus petite, où se rencontrent la physique quantique et la biologie.
« Il y a eu beaucoup de travail, théorique et expérimental, pour 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 qui nécessitait encore une réponse détaillée », déclare Graham Fleming, co-auteur principal de l’étude et scientifique éminent à l’Institut de Biosciences du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
L’équipe de recherche a démontré qu’un seul photon peut effectivement initier la première étape de la photosynthèse chez les bactéries pourpres photosynthétiques.
Selon eux, tous les organismes photosynthétiques utilisant des processus similaires et ayant un ancêtre évolutionnaire commun, la photosynthèse chez les plantes et les algues fonctionnerait de la même manière.
« La nature a inventé un tour très astucieux »
La photosynthèse, à l’instar d’autres réactions chimiques, a d’abord été comprise dans sa globalité. Nous connaissions les entrées et les sorties globales, et nous pouvions en déduire à quoi ressembleraient les interactions entre les molécules individuelles. Aujourd’hui, grâce à des technologies de plus en plus avancées, les scientifiques commencent à explorer le prochain front : l’échelle de l’atome individuel et de la particule subatomique.
« Personne n’avait jamais démontré cette hypothèse », déclare Quanwei Li, premier auteur de l’étude. Pourtant, de nombreuses recherches ont révélé des détails précis sur les étapes ultérieures de la photosynthèse grâce à des impulsions laser ultra-rapides.
L’expérience a nécessité une équipe unique de théoriciens et d’expérimentateurs qui ont combiné des outils de pointe de l’optique quantique et de la biologie. Les scientifiques ont mis en place une source de photons qui génère une unique paire de photons par un processus appelé “conversion paramétrique spontanée vers le bas“.
« La difficulté fondamentale de cette expérience résidait dans la facilité de perdre un photon. C’est pourquoi nous utilisons le photon de détection », explique Graham Fleming. Les scientifiques ont analysé plus de 17,7 milliards d’événements de détection de photons pour s’assurer que les observations ne pouvaient être attribuées qu’à l’absorption d’un seul photon.
« Je pense que la première chose à retenir de cette expérience est que nous pouvons réellement faire des choses avec des photons individuels. C’est un point très, très important », précise la scientifique Birgitta Whaley. « La question suivante est, que pouvons-nous faire d’autre ? Notre objectif est d’étudier le transfert d’énergie des photons individuels à travers le complexe photosynthétique à l’échelle temporelle et spatiale la plus courte possible. »
FAQ / Questions & Réponses
Qu’est-ce qui a été découvert dans la nouvelle étude sur la photosynthèse?
La nouvelle étude a révélé que la photosynthèse, le processus par lequel les organismes convertissent la lumière en énergie chimique, est sensible à la plus petite quantité de lumière possible : un seul photon
Qui a mené cette étude?
L’étude a été menée par une équipe internationale de chercheurs, dirigée par Graham Fleming et Birgitta Whaley, tous deux du Lawrence Berkeley National Laboratory.
Qu’est-ce que cette découverte signifie pour notre compréhension de la photosynthèse?
Cette découverte confirme notre compréhension actuelle de la photosynthèse et aidera à répondre aux questions sur la façon dont la vie fonctionne à l’échelle la plus petite, où se rencontrent la physique quantique et la biologie.
Comment cette découverte a-t-elle été réalisée?
Les chercheurs ont utilisé des outils avancés de l’optique quantique et de la biologie pour concevoir une expérience qui leur permettrait d’observer des photons individuels lors du processus de photosynthèse.
Qu’est-ce qu’un photon et quel est son rôle dans la photosynthèse?
Un photon est la plus petite quantité de lumière possible. Dans le processus de photosynthèse, l’énergie des photons est utilisée pour exciter les électrons, ce qui déclenche une série de réactions chimiques qui transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique.
Que signifie cette découverte pour le futur de la recherche sur la photosynthèse?
Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour l’étude du transfert d’énergie à partir de photons individuels à travers le complexe photosynthétique à l’échelle temporelle et spatiale la plus courte possible.
Crédit photo / Jenny Nuss/Berkeley Lab
[ Rédaction ]
