الضوء هو أساس كل أشكال الحياة على الأرض تقريبًا. باستخدام الطاقة من الشمس، تصنع النباتات والطحالب وبعض البكتيريا جزيئات سكر معقدة تعمل كالأساس لمعظم سلاسل الغذاء في الطبيعة. لكن أجزاء من هذا التفاعل الكيميائي الذي يغذي العالم ظلت غامضة إلى حدٍ ما-حتى الآن. 

ولأول مرة، لاحظ الباحثون بدايات التمثيل الضوئي، بدءً بفوتون واحد. 

أوضح غراهام فليمنغ، كيميائي في جامعة كاليفورنيا بيركلي ومؤلف مشارك للبحث الجديد المنشور في مجلة نيتشر: “لقد تم إنجاز قدر كبير من العمل، نظريا وتجريبيا، في جميع أنحاء العالم في محاولة لفهم ما يحدث بعد امتصاص الفوتون. لكننا أدركنا أن لا أحد يتحدث عن الخطوة الأولى”.

عندما يصطدم الضوء بالبلاستيدات الخضراء للنبات – مصنع السكر في عالم العضيات – فإنه يمتص الطاقة من الفوتونات الواردة ويستخدمها لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين، وذلك بفضل صبغة الكلوروفيل. 

لقد عرف العلماء هذه العملية منذ أواخر القرن 18 على الأقل، لكن الأمر استغرق وقتًا أطول لكشف التفاصيل الدقيقة. قام اثنان من العلماء الفرنسيين بعزل الكلوروفيل لأول مرة في أوائل عام 1800، وبحلول نهاية القرن كشف عالم النبات ثيودور فيلهلم إنجلمان عن دوره في امتصاص ضوء الشمس وفقًا لورقة بحثية نشرت عام 2019 في حوليات علم النبات.

حقق الباحثون مزيدًا من التقدم في تحديد الكيمياء الحيوية لعملية التمثيل الضوئي طوال القرن 20، واكتشفوا على سبيل المثال أن الإلكترونات المثارة تساعد على نقل الطاقة عبر البلاستيدات الخضراء. 

أدركوا أيضًا أن البلاستيدات الخضراء يجب أن تكون حساسة جدًا للضوء، لأنه يمكن للنباتات القيام بعملية التمثيل الضوئي في الظل، والفوتونات في شعاع من أشعة الشمس منتشرة نسبيًا. افترض العلماء أن هناك حاجة إلى عدد قليل فقط من الفوتونات لبدء العملية. ومع ذلك، لم يلاحظ أحد بنجاح هذه الخطوة الأولى المهمة.

في الدراسة الجديدة، نظر الباحثون في بكتيريا التمثيل الضوئي الأرجوانية والتي تشترك في سلف قديم مع النباتات والطحالب الحديثة. قاموا بإعداد مصدر فوتون يبث فوتونين فقط في كل مرة. خلال كل اختبار، تم امتصاص الفوتون الأول الذي تم إطلاقه بواسطة كاشف فائق الحساسية، بينما أصاب الآخر من البكتيريا ما يعادل البلاستيدات الخضراء. من المؤكد أنه عندما أصاب الفوتون الثاني هدفه، بدأ التمثيل الضوئي.

أجرى الباحثون هذا الاختبار أكثر من 1.5 مليون مرة للتأكد من أن الفوتون الثاني كان يؤدي إلى التفاعل الكيميائي وليس بعض القوى الخارجية. أكد هذا أن فوتون واحد فقط كان كافيًا لبدء عملية التمثيل الضوئي. 

قالت  بيرجيتا والي، عالمة فيزياء كيميائي في جامعة كاليفورنيا بيركلي والمؤلفة المشاركة للدراسة: “لقد أظهرت هذه التجربة أنه يمكنك بالفعل القيام بأشياء باستخدام الفوتونات الفردية. هذه نقطة مهمة للغاية”. 

المصدر: https://www.livescience.com

ترجمة: نجاح فتح الرحمن العوض أحمد

مراجعة وتدقيق: زينب محمد