Как украсть электрон или «хак» фотосинтеза.

Источник.

Исследователи «взломали» (раскрыли) самые ранние этапы фотосинтеза, питающего большую часть жизни на Земле, и открыли новые способы извлечения энергии из этого процесса, открытие, которое может привести к новым способам получения чистого топлива и возобновляемой энергии. .

Международная группа физиков, химиков и биологов под руководством Кембриджского университета смогла изучить фотосинтез в живых клетках в сверхбыстром временном масштабе, величиной в миллионную часть миллионной доли секунды.

Конечно, этот процесс естественного преобразования солнечного света в энергию для питания растений, водорослей и некоторых бактерий ‒ один из самых известных и хорошо изученных процессов на Земле. И пусть учёный мир мало о чём может похвалиться таким внушительным запасом данных, однако «всё знать на свете ‒ нереально», и вот у фотосинтеза найдено ещё кое-что, чем нас удивить и порадовать.

Оказалось, что ‒ вопреки господствовавшим ранее представлениям, ‒ извлечение электронов из молекулярных структур, ответственных за фотосинтез, происходит ещё на начальных стадиях, а никак не позже. Это стало понятно благодаря исследованию с использованием сверхбыстрых спектроскопических методов для изучения движения энергии. Они позволили проследить поток энергии в живых фотосинтезирующих клетках в фемтосекундном масштабе ‒ это тысячная триллионной доли секунды.

«Мы знали о фотосинтезе не так много, как думали, и новый путь переноса электронов, который мы обнаружили здесь, совершенно удивителен», ‒ говорит координатор исследования, доктор Дженни Чжан из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида.

Этот переворот в понимании фотосинтеза не только лучше объясняет способы, с помощью которых тот справляется с избыточной энергией, но и может помочь нам создать новые и более эффективные способы использования его энергии. Ведь, хоть он и является естественным процессом, однако его эффективность сама заставляет нас изучить потенциал его использования для преодоления климатического кризиса ‒ например, имитируя процессы фотосинтеза для получения чистого топлива из солнечного света и воды.

Чжан и её коллеги изначально пытались понять, почему кольцеобразная молекула, называемая хиноном, способна «воровать» электроны в ходе фотосинтеза. Дело в том, что эти самые хиноны довольно широко распространены в природе, и они могут легко принимать и отдавать электроны. Для изучения вопроса исследователи рассмотрели фотосинтезирующие цианобактерии путём сверхбыстрой переходной абсорбционной спектроскопии.

«Никто должным образом не изучал, как эта молекула взаимодействует с фотосинтетическими механизмами на такой ранней стадии фотосинтеза: мы думали, что просто используем новую технику, чтобы подтвердить то, что мы уже знали, ‒ рассказывает доктор Чжан. ‒ Вместо этого мы нашли совершенно новый путь и немного раскрыли чёрный ящик фотосинтеза».

Сверхбыстрая спектроскопия для наблюдения за электронами обнаружила, что белковый каркас, на котором происходят начальные химические реакции фотосинтеза, полон дыр, и через них-то электроны и ускользают. Эта утечка помогает растениям защитить себя от повреждения ярким или быстро меняющимся светом.

«Многие учёные пытались извлечь электроны из более ранней стадии фотосинтеза, но сказали, что это невозможно, потому что энергия скрыта в белковом каркасе, ‒ раскрывает грандиозность открытия Чжан. ‒ Тот факт, что мы можем украсть их на более раннем этапе, поражает воображение. Сначала мы думали, что совершили ошибку: нам потребовалось некоторое время, чтобы убедить себя, что мы это всё-таки сделали».

«Физика фотосинтеза действительно впечатляет, ‒ делится впечатлениями Томи Байки, соавтор исследования из Кембриджской Кавендишской лаборатории. ‒ Обычно мы работаем с высокоупорядоченными материалами, но наблюдение за переносом заряда через клетки открывает замечательные возможности для новых открытий о том, как работает природа».

Однако учёных воодушевляет не только мудрость и простота природы.

«Поскольку электроны от фотосинтеза рассеиваются по всей системе, это означает, что мы можем получить к ним доступ, ‒ говорит ещё один соавтор исследования, биохимик, доктор Лаура Вей, из Университета Турку (Финляндия). ‒ Тот факт, что мы не знали о существовании этого пути, впечатляет, потому что мы могли бы использовать его для извлечения большего количества энергии для возобновляемых источников энергии».

В принципе, возможность извлекать заряды на ранней стадии фотосинтеза, как полагают исследователи, позволит не только манипулировать его ходом и путями, но также повысить эффективность искусственно контролируемого получения чистой энергии от Солнца. Кроме того, способность регулировать фотосинтез у реальных сельскохозяйственных культур может повысить их устойчивость к интенсивному солнечному излучению, что весьма полезно для сохранения урожаев в условиях повсеместно нарастающей засухи и глобального повышения температур.

АРМК, по материалам Кембриджского университета.