On sait enfin comment commence la photosynthèse

La photosynthèse est un processus vital qui permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries de convertir la lumière en énergie chimique. Mais comment ce processus se déclenche-t-il ? Une étude parue dans Nature révèle que la photosynthèse est sensible à l’impact d’un seul photon, la plus petite unité de lumière.

Cette découverte a été réalisée par des chercheurs de l’UC Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory. Elle met en lumière la première étape de la photosynthèse, jusqu’à présent peu explorée. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la production d’énergie renouvelable.

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Un seul photon pour démarrer la photosynthèse

Les chercheurs ont conçu une expérience ingénieuse pour montrer qu’un seul photon suffit à activer la photosynthèse chez les bactéries pourpres Rhodobacter sphaeroides. Ces bactéries sont apparentées aux plantes et aux algues en matière d’évolution, ce qui suggère que ces organismes fonctionnent de la même manière.

Cette découverte est très importante car elle nous permet de comprendre comment les êtres vivants exploitent la lumière pour survivre. On soupçonnait depuis longtemps qu’un seul photon pouvait enclencher la réaction photosynthétique, mais cette étude apporte une preuve solide de cette hypothèse.

La photosynthèse est un processus très efficace qui transforme l’énergie solaire en énergie chimique. Le Soleil émet des millions de photons par seconde, mais seuls quelques-uns atteignent les molécules de chlorophylle. Cependant, cela suffit à alimenter la photosynthèse chez tous les organismes photosynthétiques de la planète.

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Le rôle des photons uniques dans la capture de la lumière

Pour comprendre comment un seul photon déclenche la photosynthèse, les chercheurs se sont intéressés à la structure qui capte la lumière dans les bactéries : LH2 (light-harvesting 2). Cette structure est composée de deux anneaux de molécules de bactériochlorophylle qui absorbent et émettent des photons à différentes longueurs d’onde.

Dans LH2, un anneau de neuf molécules absorbe les photons à une longueur d’onde de 800 nanomètres (nm), ce qui permet à l’énergie de passer à un autre anneau de 18 molécules qui peuvent émettre des photons fluorescents à 850 nm. Dans les bactéries naturelles, l’énergie des photons serait transmise aux molécules suivantes jusqu’à ce qu’elle soit utilisée pour démarrer la chimie de la photosynthèse. Mais dans l’expérience, la détection du photon à 850 nm a indiqué que le processus avait été lancé une fois que LH2s avait été séparé des autres machines cellulaires.

“Quand on a qu’un seul photon, il est très facile de le perdre. C’était le problème fondamental de cette expérience, c’est pourquoi on avait besoin du photon annonciateur”, explique Graham Fleming, biochimiste à l’université de Californie à Berkeley et co-auteur principal de l’étude.

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Une expérience rigoureuse et innovante

Les chercheurs ont analysé plus de 17,7 milliards d’événements de détection de photons de l’annonciateur et 1,6 million d’événements de détection de photons fluorescents de l’annonciateur. Ils ont ainsi pu s’assurer que les observations étaient bien dues à l’absorption d’un seul photon et qu’aucun autre facteur n’avait influencé les résultats.

Il était cependant difficile de comprendre les détails de ce processus à cause de la différence de puissance entre la lumière du soleil et le laser utilisé dans les études. Les chercheurs soulignent que les expériences précédentes étaient limitées par le fait qu’un faisceau laser est des millions de fois plus brillant que la lumière du soleil. Ils ont utilisé des techniques avancées d’optique quantique et de biologie pour observer les photons uniques.

Des perspectives prometteuses pour l’énergie renouvelable

Cette découverte confirme non seulement une théorie bien établie sur la photosynthèse, mais elle ouvre aussi de nouvelles voies de recherche pour l’avenir. Les chercheurs veulent étudier comment l’énergie est transmise à partir de photons individuels à travers le complexe photosynthétique, à des échelles de temps et d’espace de plus en plus petites.

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“Si on comprend ces processus au niveau quantique, on pourra créer des systèmes artificiels qui produiront de l’énergie renouvelable plus efficacement”, explique Birgitta Whaley, physicienne chimiste à Berkeley et co-auteure principale de l’étude.

L’étude réalisée par ce groupe de chercheurs montre l’intérêt de la coopération interdisciplinaire et de l’utilisation d’outils de pointe. La combinaison de la biologie et de l’optique quantique a permis des découvertes prometteuses et a enrichi nos connaissances sur la photosynthèse.