Fotosyntéza je jeden z nejdůležitějších procesů probíhajících na Zemi. Je hlavním zdrojem energie pro většinu organismů, včetně člověka. Fotosyntetické bakterie se na Zemi objevily mezi prvními živými organismy a jejich evoluce zásadním způsobem ovlivnila evoluci všech ostatních organismů. Především vznik oxygenní fotosyntézy přispěl k dramatickým změnám a umožnil vývoj organismů závislých na kyslíku. Dominantním zdrojem kyslíku v zemské atmosféře je právě fotosyntéza. Energie získaná ze slunce dávnými fotosyntetickými organismy a uložená ve formě fosilních paliv představuje stále i hlavní zdroj energie pro pokrytí potřeb lidstva. Zásadní význam má proces fotosyntézy i pro zemědělství.
Obrázek z http://www.life.uiuc.edu/pru/labs/ort.html

Fotosyntéza je proces, při kterém se energie slunečního záření převádí na energii chemickou. Z fyzikálního hlediska jsou nejzajímavější první dva kroky fotosyntézy, tzv. primární procesy fotosyntézy. Prvním krokem je absorpce světelného kvanta molekulou pigmentu, resp. jeho agregátem, a rychlý přenos (typicky 100 fs - 100 ps) excitační energie ve světlosběrných komplexech, tzv. anténách (zelená kolečka). Tyto komplexy mohou obsahovat až stovky tisíc důmyslně uspořádaných molekul pigmentů, mezi kterými se exciton přenáší směrem k tzv. reakčním centrům (hnědé a modrá kolečka). V reakčních centrech probíhá druhý krok fotosyntézy a tím je využití excitační energie k separaci elektronu a jeho následný rychlý transport (typicky 1 ps - 1 ns) jako prevence zpětné rekombinace. Energie stabilizovaného elektronu je hnací silou dalších, již spíše chemických, reakcí, které vedou ke vzniku elektrochemického gradientu na fotosyntetické membráně, tvorbě ATP a NADPH (resp. NADH u bakterií) a posléze k syntéze cukrů a škrobu.

Přestože základní principy fungování fotosyntetického aparátu jsou u různých fotosyntetizujících organismů obdobné, existuje mnoho odlišných typů fotosyntetických komplexů. Tato různorodost je obzvláště výrazná mezi světlosběrnými anténami. Naprostá většina všech fotosyntetických systémů je tvořena pigment-proteinovými komplexy, často uloženými ve fotosyntetické membráně. Nejčastěji zastoupenými pigmenty jsou chlorofyly a karotenoidy. Protein má dvě základní funkce. Jednak molekuly pigmentů váže a udržuje v optimální vzájemné poloze a také se interakcí s proteinem 'ladí' energie excitovaných stavů pigmentů. To je důležité pro dosažení maximální účinnosti přenosu excitační energie v anténách, resp. separace a transportu elektronu v reakčních centrech. Jediný fotosyntetický komplex, ve kterém nejsou pigmenty vázány na protein, je tzv. chlorosom - světlosběrná anténa zelených fotosyntetických bakterií. Bakteriochlorofyly c, d nebo e (podle typu baktérie) v chlorosomech tvoří samoorganizující se agregáty.

Studium primárních procesů fotosyntézy je důležité nejenom pro pochopení fotosyntézy samé, ale i z hlediska fyziky. Různé fotosyntetické komplexy totiž představují modelové systémy pro studium různých mechanismů přenosu excitonu a elektronu, nebo projevů mezimolekulárních interakcí. Např. elektrostatické interakce mezi pigmenty vedou v některých komplexech ke vzniku excitonově vázaných systémů, u nichž je intenzivně studována delokalizace excitonu, časový vývoj koherence přenosu energie, superradiance, excitonová relaxace a další zajímavé vlastnosti.

V poslední době se mnoho vědeckých týmů věnuje vývoji nanotechnologií napodobujících některé činnosti fotosyntetických komplexů, které mohou nalézt uplatnění v molekulární elektronice nebo při vývoji nových typů sensorů, slunečních článků atd. Samoorganizující se agregáty chlorosomálních bakteriochlorofylů představují nadějný modelový systém pro takovéto aplikace. Nejvíce úsilí je věnováno vývoji umělé fotosyntézy, tedy vytvoření komplexu, který bude využívat energii slunečního záření k štěpení vody na kyslík a vodík. Vodík představuje ideální zdroj energie budoucnosti, neboť jeho zásoby na Zemi (právě ve vodě) jsou prakticky nevyčerpatelné a jediným odpadem vznikajícím jeho spalováním je opět voda. Hlavní brzdou rozvoje vodíkových technologií je v současné době zejména vysoká finanční a energetická náročnost výroby vodíku.