Фотосинтез — це насамперед фізична проблема. Первинні процеси його розпочинаються з миттєвих реакцій поглинання електромагнітної енергії сонячних квантів (τ = 10¹⁵ с), її запасання та стабілізації у вигляді електронного збудження, міграції енергії в пігмент-ліпопротеїдному комплексі хлоропластів:

Міграція — це процес передачі енергії електронно-збудженого стану від молекули пігменту, яка поглинула квант світла, до іншої молекули.

Ймовірний механізм енергетичного перенесення — міграція екситону, або індуктивний резонанс. Екситонний механізм міграції енергії характерний для гомогенних молекул пігментів.

Екситон — це елементарний стан електронного збудження, енергія якого делокалізована.

Екситон — це квазічастинка, яка існує ~ 10^-5с і характеризується певною енергією та імпульсом. Електронно-збуджений стан мігрує як спін-спряжена пара електрон—дірка. Рух екситону здійснюється як дискретне (перескоки), або як неперервне (когерентне) зміщення.

Індуктивний резонанс забезпечує перенесення енергії без випромінювання фотонів у результаті диполь-дипольної взаємодії молекул донора і акцептора, наприклад між хлорофілами а і b. Швидкість перенесення енергії залежить від величини відстані між цими молекулами та ступеня перекривання спектра флуоресценції донора зі спектром поглинання акцептора.

Передачу енергії крізь молекули різних пігментів визначають як гетерогенне перенесення, тоді як аналогічний процес між гомологічними молекулами називають гомогенним перенесенням. Дослідження флуоресценції є доказом можливої передачі енергії гетерогенного або гомогенного типу. Так, у разі опромінення пігментної системи монохроматичним світлом, наприклад таким, що поглинається тільки хлорофілом b, можна зафіксувати спектр флуоресценції хлорофілу а.

Вдалося виявити міграцію енергії між такими парами: каротиноїди → фікоеритрин → фікоціанін → хлорофіл b → хлорофіл a; хлорофіл а → хлорофіл а. Завжди можлива міграція енергії від кожного з пігментів безпосередньо на хлорофіл а.

Енергія завжди мігрує у напрямі від пігментів з максимумом поглинання в зоні коротших хвиль до молекул, максимум поглинання яких розміщений у довгохвильовій зоні.

Нині чітко доведено гетерогенність хлорофілів у мембрані, тобто спектральна дискретність хімічно тотожних молекул пігментів, яка зумовлена відмінностями в характері взаємодії пігменту з навколишнім середовищем.

Як відомо, світло має водночас хвильові й корпускулярні властивості, тобто поширюється як хвиля та поглинається квантами, або фотонами. Фотоактивні речовини, в тому числі пігменти, здатні поглинати кванти світла. Це означає, що незбуджена молекула хлорофілу перебуває в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем, і такий стан називають основним (S_o). У такому стані валентні електрони займають найнижчі енергетичні рівні (причому, згідно з принципом Паулі, не більше двох електронів із антипаралельними спінами на кожній орбіталі). Сумарний спін (вектор магнітних моментів) усіх електронів молекули дорівнює нулю. У разі поглинання кванта світла молекула хлорофілу переходить на один зі збуджених коливальних підрівнів електронного рівня, тобто на вищу вільну орбіталь. Такий перехід не змінює напряму електронного спіну й відбувається за 10¹⁵ с. Якщо в збудженому електроні зберігається той самий напрям спіну, то молекула перебуває в так званому синглетному стані (рис. 13).

Рис. 13. Енергетичні стани молекули хлорофілу

Якщо під час переходу на вищу орбіталь спін змінює свій напрям, таке збудження називають триплетним (спіни стають паралельними), при цьому сумарний спін дорівнює одиниці.

Молекула хлорофілу може поглинати світло як у червоній, так і в синій частині спектра, тобто одержувати різну кількість енергії, а отже, переходити на перший або другий синглетний рівні. Час існування збудженої молекули незначний (на першому синглетному рівні — 10^-8, 10^-9 с, а на другому — 10^-12 с), після чого вона повертається на вихідний енергетичний рівень. Відбувається це різними шляхами (рис. 14).

Рис. 14. Можливі шляхи трансформації енергії першого збудженого синглетного стану хлорофілу

Первинна фотофізична стадія розпочинається з поглинання світла пігментами. Кожна молекула хлорофілу поглинає 4...40 квантів світла за секунду. Міграція енергії забезпечує ефективне збирання квантів світла антенним світлозбиральним комплексом (СЗК) і транспортування їх до молекул хлорофілу, що поєднані з фотохімічними реакціями.