Zobaczyć jeden foton

Zaczyna się od jednego fotonu

Niedawne badanie potwierdziło, że wystarczy zaledwie jeden foton, aby uruchomić złożony proces fotosyntezy. A ile fotonów musi paść na siatkówkę ludzkiego oka, żeby pobudzić je do widzenia?

Gdzieś w połowie tego roku na łamach Nature pojawił się opis intrygującego badania z pogranicza fizyki, chemii i biologii. Dziewięcioosobowy zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley przeprowadził najdokładniejszy dotąd eksperyment dotyczący minimalnych warunków koniecznych do zajścia fotosyntezy (i przy okazji fluorescencji). I chociaż teoria już dawno przewidywała, że w życiodajnej reakcji fotochemicznej znaczenie ma dosłownie nawet jeden jedyny foton, doświadczalne potwierdzenie tego faktu, długo znajdowało się poza technicznymi możliwościami naukowców.

Jak uchronić się przed niszczącą nieobecnością światła?

Vikram Chandra

Na obiekt testowy wybrano Rhodobacter sphaeroides – gatunek super-wydajnej bakterii, zdolnej do przetrwania zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych, pod warunkiem dostępu do światła. Zestaw badawczy składał się natomiast z lasera zdolnego do emisji ultrakrótkich, femtosekundowych impulsów, przechodzących następnie przez kryształ, dzielący je na pary fotonów pozostających w stanie splątania kwantowego.

Bakteria Rhodobacter sphaeroides
Rhodobacter sphaeroides z bliska. Z uwagi na szereg niezwykłych właściwości, należą do ulubionych pupili współczesnych naukowców.

Dlaczego naukowcy utrudnili sobie życie, decydując się operować na parach cząstek? Jak tłumaczy członek zespołu, Graham Fleming: “jeden foton bardzo łatwo zgubić. Na tym właśnie polegała podstawowa trudność w tym eksperymencie i dlatego potrzebowaliśmy fotonu-herolda”. W tym układzie pierwszy z fotonów – foton-herold (ależ mi się podoba to określenie) – ma charakter kontrolny i zmierza prosto do detektora. Z kolei jego partner trafia do bakterii, z zadaniem uruchomienia jej molekularnej maszynerii pod postacią pierścieni B800 i B850. Co ważne, skutkiem ubocznym absorpcji światła jest w tym przypadku również odpowiadająca jej luminescencja. Innymi słowy, pochłaniając foton, bakteria sama emituje błysk, choć słabszy, o odmiennej długości.

Fotosynteza
Uproszczony schemat eksperymentu zawarty w oryginalnej publikacji Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex.

Kiedy więc w ramach eksperymentu, do pierwszego detektora wpadł nienaruszony foton-herold, ale do drugiego nie dotarł splątany z nim bliźniak – lecz jakiś inny foton, o obcej charakterystyce – naukowcy wiedzieli, że po drodze doszło do fotosyntezy. Po wielu powtórzeniach próby, uzyskali statystyczną pewność, że biochemiczny aparat komórki jest w stanie zrobić użytek nawet z pojedynczego kwantu światła.

Rezultaty sprytnego doświadczenia badaczy z Kalifornii dają do myślenia. Zwykła żarówka w każdej sekundzie bombarduje swoje otoczenie całymi tryliardami fotonów, tymczasem wystarczy jeden, żeby wymusić złożoną reakcję żywego organizmu (mikroorganizmu, ale zawsze!). Jednak czy samotny kwant światła byłby w stanie równie skutecznie pobudzić receptory ludzkiego oka? A jeśli nie, to ile fotonów potrzebujemy, żeby zobaczyć… cokolwiek? (Nawiasem mówiąc, pamiętam, że po raz pierwszy zderzyłem się z tym pytaniem wiele lat temu, dzięki mailowi jednego z czytelników. Pozdrowienia dla Marka!).

Temat interesuje naukowców od bardzo dawna, a pierwsza dotycząca go publikacja ukazała się na kartach amerykańskiego The Journal of General Physiology już w 1942 roku. Mimo upływu ponad osiemdziesięciu lat dostarcza nam ona zaskakująco konkretnych informacji: “Bezpośrednie pomiary minimalnej energii potrzebnej do widzenia progowego w optymalnych warunkach fizjologicznych dają wartości od 2,1 do 5,7 x 10 –10 ergów na rogówce, co odpowiada liczbie od 54 do 148 kwantów niebiesko-zielonego światła”.

Nie jest to jednak jeszcze wartość, której szukamy. Zwróćcie uwagę, że autorzy piszą o 54-148 fotonach na rogówce (!), czyli zewnętrznej warstwie gałki ocznej. Nie będę tu zgrywał znawcy anatomii, przypomnę tylko, że za proces widzenia odpowiada siatkówka, czyli błona wyścielająca tylną część oka.

Budowa oka

To na siatkówce rozmieszczone są wyspecjalizowane komórki nerwowe – 5 milionów czopków i 90 milionów pręcików – reagujących na obecność światła wytwarzaniem impulsów elektrycznych, słanych następnie w stronę mózgu. A ponieważ około 90% padającego na oko światła zostaje po drodze odbite, rozpraszane lub zaabsorbowane przez rogówkę oraz ciało szkliste; mniej więcej tylko co dziesiąty foton rzeczywiście dociera do fotoreceptorów. Biorąc to pod uwagę, autorzy artykułu z 1942 roku oszacowali, że siatkówka oka wymaga do działania od 5 do 14 fotonów.

Nie oznacza to, że ludzkie komórki są gorszymi detektorami światła od bakterii. Fotoreceptory oka jak najbardziej są w stanie wyłapać obecność pojedynczego fotonu, tyle tylko, że nasz aparat wzroku zdaje się to ignorować. Zdaniem badaczy fakt ten może mieć głębszy biologiczny sens. Wszystko przez pręciki, które są niewiarygodnie wrażliwe, żeby nie powiedzieć nadwrażliwe. Zawarte w nich cząsteczki rodopsyny potrafią płatać figle i czasem, wcale nie tak rzadko, aktywować się nawet bez udziału światła (mogą je pobudzić np. promieniowanie kosmiczne). Gdyby zatem mózg reagował na każdą taką zaczepkę, nasz obraz prawdopodobnie ciągle śnieżyłby jak w starym telewizorze. Żeby tego uniknąć, układ nerwowy nauczył się automatycznie odfiltrowywać odosobnione bodźce i dopiero pobudzenie większej grupy komórek interpretuje jako wiadomość wartą uwagi.

Pręciki i czopki w siatkówce ludzkiego oka
Zdjęcie pręcików (te zielone) i czopków (czerwone) z mikroskopu konfokalnego.

Eksperymenty przeprowadzane w kolejnych dekadach z grubsza potwierdzały te wnioski, ustalając fizyczną granicę czułości ludzkiego wzroku w przedziale od kilku do kilkunastu fotonów. Z jednym wyjątkiem.

W lipcu 2016 roku na łamach Nature Communications pojawił się bodaj jedyny jak dotąd artykuł, stwierdzający w kontrze do reszty, że “ludzie mogą wykryć pojedyncze fotony”. Doświadczenie miało dość standardową formułę. Uczestnicy badania siedzieli w całkowitej ciemności przez 40 minut, po czym ich głowy zwracano w stronę źródła światła i unieruchamiano. Kiedy byli gotowi, naciskali przycisk i słyszeli dwa sygnały dźwiękowe – musieli wskazać, któremu z nich towarzyszyła emisja fotonu.

Eksperymentatorzy niewątpliwie mieli techniczną przewagę nad swoimi poprzednikami, chociażby przez lepszą kontrolę nad zliczaniem pojedynczych fotonów. Jednak z drugiej strony, co zdumiewające, próbę przeprowadzono zaledwie na… trzech osobach. Dokładniej na trzech 20-letnich mężczyznach, którzy byli w stanie poprawnie wskazać moment wystrzelenia fotonu w 51,6% przypadków. Przekładając to na liczby bezwzględne (czego w publikacji nie zrobiono): przy 2420 wyrzutach pojedynczego fotonu, ochotnicy udzielili dobrej odpowiedzi 1249 razy – o 39 więcej niż należałoby się spodziewać przy strzałach na chybił trafił. Czy to dużo? Zdaniem autorów publikacji taki wynik, “choć niezbyt imponujący, pozostaje istotny statystycznie”. Zdaniem sceptyków – niekoniecznie. Na pewno nie, jeśli ktoś na poważnie myśli o rewizji podręczników fizjologii.

Dla uczciwości wspominam, ale wiarygodność musicie ocenić sami.

Literatura uzupełniająca:
J. Appel, It Turns Out, Photosynthesis Only Takes One Photon, [online: www.popularmechanics.com/science/a44201885/photosynthesis-one-photon/];
X. Zhang, G. Fleming, K. Whaley, Single-photon absorption and emission from a natural photosynthetic complex, “Nature”, 619 (2023);
S. Hecht, S. Shlaer, M. Henri Pirenne, Energy, quanta, and vision, “The Journal of General Physiology” (1942);
J. Espigulé-Pons, M. Lauwers, A. Vaziri, Direct detection of a single photon by humans, “Nature Communications” (2016);
W. Sannita, L. Narici, P. Picozza , Positive visual phenomena in space: A scientific case and a safety issue in space travel, “Vision Research” (2006), vol 46.
Total
0
Shares
Zobacz też
Czytaj dalej

Stuletnia droga do szczególnej teorii względności – cz. 1

Istnieje wiele nieporozumień dotyczących szczególnej teorii względności Einsteina i jej historii. Chyba jeszcze więcej dotyczy jej poprzedniczki – teorii eteru – oraz rzekomo grzebiącego ją doświadczenia Michelsona-Morleya. Wiele z tych półprawd i nieprawd jest powtarzanych przez nauczycieli, podręczniki szkolne, a nawet przez wykładowców teorii względności.