Naśladowanie fotosyntezy. Naukowcy szukają sposobów na generowanie zielonej energii

Międzynarodowy zespół fizyków, chemików i biologów, kierowany przez Universitet Cambridge, prześledził przebieg procesu fotosyntezy, w ramach którego rośliny i niektóre bakterie przekształcają światło słoneczne w energię, w niespotykanej dotąd skali. Ich obserwacje stworzyły dokładną “mapę" procesu w skali jednej milionowej części sekundy.

Choć naukowcy znają fotosyntezę od początków XIX w., proces ten nadal ma wiele tajemnic. Wykorzystując ultraszybkie techniki spektroskopowe do badania ruchu energii, naukowcy odkryli, że substancje chemiczne, które mogą wydobywać elektrony ze struktur molekularnych odpowiedzialnych za fotosyntezę, robią to na zupełnie innym procesie, niż wcześniej sądzono. To odkrycie może pozwolić na stworzenie nowych, bardziej efektywnych sposobów pozyskiwania energii ze Słońca. Wyniki badań opisano w czasopiśmie Nature.

"Nie wiedzieliśmy o fotosyntezie tak wiele, jak sądziliśmy" mówi dr Jenny Zhang z Wydziału Chemii Uniwersytetu Cambridge. “Ten nowy szlak przenoszenia elektronów jest całkowicie zaskakujący".

Chociaż fotosynteza jest procesem naturalnym, naukowcy badali również, w jaki sposób można ją wykorzystać do rozwiązania kryzysu klimatycznego, naśladując procesy fotosyntezy w celu wytworzenia czystych paliw ze światła słonecznego i wody.

Zhang i jej współpracownicy próbowali zrozumieć, dlaczego cząsteczka w kształcie pierścienia zwana chinonem jest w stanie "kraść" elektrony. Chinony są powszechne w naturze i mogą łatwo przyjmować i oddawać elektrony. Naukowcy wykorzystali technikę zwaną ultraszybką transjentową spektroskopią absorpcyjną, aby zbadać zachowanie chinonów w fotosyntetycznych sinicach.

"Nikt właściwie nie zbadał, w jaki sposób cząsteczka ta współdziała z mechanizmami fotosyntezy na jej wczesnym etapie. Myśleliśmy, że po prostu używamy nowej techniki, aby potwierdzić to, co już wiedzieliśmy" mówi Zhang. "Zamiast tego znaleźliśmy zupełnie nową ścieżkę i otworzyliśmy czarną skrzynkę fotosyntezy".

Wykorzystując ultraszybką spektroskopię do obserwacji elektronów, naukowcy odkryli, że rusztowanie białkowe, w którym zachodzą początkowe reakcje chemiczne fotosyntezy, jest "nieszczelne", umożliwiając ucieczkę elektronom. Ta nieszczelność może pomóc roślinom chronić się przed uszkodzeniem przez jasne lub szybko zmieniające się światło.

"Fizyka fotosyntezy jest naprawdę imponująca" mówi Tomi Baikie z Cavendish Laboratory w Cambridge. "Zwykle pracujemy nad wysoce uporządkowanymi materiałami, ale obserwacja transportu ładunków przez komórki otwiera niezwykłe możliwości nowych odkryć dotyczących działania mechanizmów przyrody. "

"Ponieważ elektrony z fotosyntezy są rozproszone w całym systemie, oznacza to, że mamy do nich dostęp" mówi współautorka badania dr Laura Wey, która pracuje na Uniwersytecie  Turku w Finlandii. "Fakt, że nie wiedzieliśmy, że ta ścieżka istnieje, jest ekscytujący, ponieważ moglibyśmy wykorzystać ją do pozyskiwania większej ilości energii ze źródeł odnawialnych".

Naukowcy twierdzą, że możliwość wydobywania ładunków na wcześniejszym etapie procesu fotosyntezy może sprawić, że proces będzie bardziej wydajny. Ponadto zdolność do regulowania fotosyntezy może oznaczać, że będziemy w stanie stworzyć rośliny uprawne, które będą lepiej tolerować intensywne światło słoneczne.

Kluczem do odkrycia było zastosowanie ultraszybkiej spektroskopii, która pozwoliła naukowcom śledzić przepływ energii w żywych komórkach fotosyntetycznych w skali femtosekundy - jednej tysięcznej bilionowej części sekundy.