Фотосинтез является основным процессом, реализуемым в биосфере, связан с конверсией солнечной энергии в энергию химических связей. Процесс фотосинтеза протекает при взаимодействии двух комплексов ФС-I и ФС-II локализованных в хлоропластах фотосинтетических мембран тилакоидов. Функционирование двух фотосистем находится в прямой зависимости от количества, поглощенного хлорофиллами и пигментами световой энергии. В связи с этим для эффективного сбора солнечной энергии тилакоиды хлоропластов уложены в граны, которые связаны ламелами в единую энергетическую сеть (ЕЭС), обеспечивающую энергией ФС-I и ФС-II.

Миграция энергии и перенос электронов в хлоропластах осуществляется с участием природных полупроводников: каротинов, хлорофиллов, феофетина, пластохинона, филлохинона, железосерных кластеров, способных образовывать комплексы с переносом заряда (КПЗ). При сближении молекул друг с другом электрон переносится с донорной молекулы на акцепторную D-+A+↔[D-·A+]↔D++A-, при этом донор приобретает положительный заряд, а молекула акцептора, получив электрон от донора становится анионом. Например, частичный перенос электронной плотности (заряда) в КПЗ с донора - каротиноида на акцептор - липид, является энергетически выгодным и обеспечивает высокую стабильность комплекса. При этом формируется высокоорганизованная структура упакованных молекул пигментов и липидов, обеспечивающая фазовый переход биосистемы из состояния геля в жидкокристаллическую полупроводниковую структуру по которой могут мигрировать экситоны.

Процесс фотосинтеза начинается с передачи энергии от ЕЭС в активный центр Н2О-пластохиноноксидоредуктазы (ФС-ΙΙ) на кластер Mn4O5Ca(Н2О)4. Марганцевый кластер имеет кубическую конфигурацию, в которой атомы кислорода разделены атомом марганца. Такая пространственная конфигурация кластера обеспечивает связывание кислорода воды с марганцем кластера, а два атома водорода молекулы воды, образуют водородные связи с кислородом кластера. В результате конформационных изменений фермента и кластера, под воздействием солнечной энергии, химические связи воды разрывает, образуя при этом атомарный кислород и 2 протона по реакции Н2О→О+2Н+. Высокоактивный атомарный кислород в водной среде образует перекись водорода по реакции О+Н2О→Н2О2. Электрохимическое окисление Н2О2 ионом Mn4+ в нейтральной среде приводит к образованию кислорода и двух протонов Н2О2-2е-→О2↑+2Н++23,5 ккал., реакция экзотермическая. При этом Mn4+ восстанавливается до Mn2+. Регенерация Mn4+ из Mn2+ происходит при передаче восстановительных эквивалентов ФС-I. Прежде чем поток электронов от генератора тока ФС-II будет доставлен ФС-I, он направляется в цитохром-b6f-комплекс, который представляет собой природный конденсатор, в котором накопление зарядов происходит за счет восстановления Fe+3 в Fe+2 в гемовых структурах цитохромов.

От цитохром-b6f-комплекса электроны пластоцианином переносятся в двухэлектродную электролизную систему (Р700) ФС-I, образованную 2 парами хлорофиллов. При рассмотрении трехмерной структуры цианобактерии Synechococcus elongatus и анализе её фотосинтетического аппарата можно отметить, что реакционный центр ФС-I является классической электродной системой для электролиза воды. В котором протекают электрохимические реакции окисления вода на хлорофилле аноде: 2H2O → O2↑+ 4H+ + 4e– и хлорофилле катоде: 2H+ + 2e- → H2↑. При этом электронную цепь фотоэлектролизера Р700 замыкает триггер, железосерный кластер Fx [4Fe4S] с логической функцией «И».

В световой фазе фотосинтеза важное значение имеет управление электронными потоками, которое обеспечивается биологическими триггерами - железносерными кластерами. Триггерная система в ФС-I построена из трех железносерных кластеров Fx, F1, F2. Железосерный кластер Fx [4Fe4S] замыкает электрон транспортную цепь фотоэлектролизера Р700 и направляет электроны триггерной системе F1 и F2 («ИЛИ»). Триггер «ИЛИ» направляет поток электронов для восстановления кофермента НАДФ+ в НАДФН через ферредоксин - Fd. Вероятно, Fd является точкой бифуркации, где происходит передача одного электрона для ферментативного восстановления НАДФ+, а другого, в реакцию с ферредоксин:хинон-редуктазой для восстановления пластохинона PQ+ в PQH2 и затем, в конденсатор - комплекс b6f. При дефиците НАДФ+ и полной загрузке конденсатора, триггер «ИЛИ» переключает систему на вывод избытка электронов и протонов в атмосферу в виде восстановленного молекулярного водорода, образующегося в результате ферментативной реакции с участием фермента гидрогеназы. Механизм световой фазы фотосинтеза может быть описан с позиции существующих физических представлений процессов, протекающих в полупроводниковых молекулярных электронных устройствах.

Photosynthesis is the main process, implemented in the biosphere, associated with the conversion of solar energy into the energy of chemical bonds. The process of photosynthesis proceeds with the interaction of two complexes PS-I and PS-II localized in the chloroplasts of photosynthetic thylakoid membranes. The functioning of the two photosystems is directly dependent on the amount of light energy absorbed by chlorophylls and pigments. In this regard, for the effective collection of solar energy, chloroplast thylakoids are packed into grana, which are connected by lamellae into a single energy network (SES), which provides energy for PS-I and PS-II.

Energy migration and electron transfer in chloroplasts is carried out with the participation of natural semiconductors: carotenes, chlorophylls, pheophytin, plastoquinone, phylloquinone, iron-sulfur clusters capable of forming charge transfer complexes (CTCs). When molecules approach each other, an electron is transferred from a donor molecule to an acceptor, D-+A+↔[D-·A+]↔D++A-, while the donor acquires a positive charge, and the acceptor molecule, having received an electron from the donor, becomes an anion. For example, the partial transfer of electron density (charge) in the CTC from the donor - carotenoid to the acceptor - lipid is energetically favorable and ensures high stability of the complex. In this case, a highly organized structure of the packed molecules of pigments and lipids is formed, ensuring the phase transition of the biosystem from the gel state to a liquid-crystal semiconductor structure along which excitons can migrate.

The process of photosynthesis begins with the transfer of energy from the SES to the active center of H2O-plastoquinone oxidoreductase (PS-ΙΙ) on the Mn4O5Ca(H2O)4 cluster. The manganese cluster has a cubic configuration in which the oxygen atoms are separated by a manganese atom. This spatial configuration of the cluster ensures the binding of water oxygen to the cluster manganese, and two hydrogen atoms of the water molecule form hydrogen bonds with the cluster oxygen. As a result of conformational changes in the enzyme and the cluster, under the influence of solar energy, chemical bonds of water are broken, thus forming atomic oxygen and 2 protons according to the reaction Н2О → О + 2Н+. Highly active atomic oxygen in an aqueous medium forms hydrogen peroxide by the reaction О+Н2О → Н2О2. Electrochemical oxidation of H2O2 with Mn4+ ion in a neutral medium leads to the formation of oxygen and two protons: H2O2 - 2e- → O2↑ + 2H+ + 23.5 kcal. The reaction is exothermic. In this case, Mn4+ is reduced to Mn2+. Reduction of Mn4+ to Mn2+ occurs during the transfer of reducing equivalents of PS-I. Before the electron flow from the PS-II current generator is delivered to PS-I, it is directed to the cytochrome-b6f-complex, which is a natural capacitor in which charge accumulation occurs due to the reduction of Fe+3 to Fe+2 in heme structures of cytochromes.

From cytochrome-b6f-complex, electrons are transferred by plastocyanin to a two-electrode electrolysis system (P700) of PS-I, formed by 2 pairs of chlorophylls. When considering the three-dimensional structure of Synechococcus elongatus cyanobacteria and analysis of its photosynthetic apparatus, it can be noted that the PS-I reaction center is a classic electrode system for water electrolysis. In which electrochemical reactions of water oxidation proceed on the chlorophyll anode: 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e- and chlorophyll cathode: 2H+ + 2e- → H2↑. In this case, the electronic circuit of the P700 photoelectrolyzer closes the trigger iron-sulfur cluster Fx[4Fe4S] with logical function "AND" .

In the light phase of photosynthesis, the control of electronic flows is important. This is provided by biological triggers - iron- sulfur clusters. The trigger system in PS-I is built from three iron-sulfur clusters Fx, F1, F2. The iron-sulfur cluster Fx[4Fe4S] closes the electron transport chain of the P700 photoelectrolyzer and sends electrons to the trigger system F1 and F2 ("OR"). The "OR" trigger directs the flow of electrons to reduce the coenzyme NADP+ to NADPH via ferredoxin - Fd. Probably Fd is the bifurcation point where one electron is transferred for the enzymatic reduction of NADP+, and the other, in reaction with ferredoxin:quinone reductase for the reduction of plastoquinone PQ+ to PQH2 and then, to the capacitor - b6f-complex. When NADP+ is deficient and the capacitor is fully loaded, the "OR" trigger switches the system to output excess electrons and protons to the atmosphere in the form of reduced molecular hydrogen, formed as a result of an enzymatic reaction involving the hydrogenase enzyme. The mechanism of the light phase of photosynthesis can be described by the existing physical representations of the processes occurring in semiconductor molecular electronic devices.