Открытие меняет наше понимание основного механизма фотосинтеза и должно переписать учебники.
Это также изменит то, как мы охотимся за инопланетной жизнью, и даст представление о том, как мы можем выращивать более эффективные культуры, которые используют преимущества более длинных волн света.
Открытие, опубликованное сегодня в журнале Science, было проведено Имперским колледжем Лондона при поддержке BBSRC, и в нем участвовали группы из ANU в Канберре, CNRS в Париже и Сакле и CNR в Милане.
Подавляющее большинство живых существ на Земле использует видимый красный свет в процессе фотосинтеза, но вместо этого новый тип использует ближний инфракрасный свет. Он был обнаружен у широкого спектра цианобактерий (сине-зеленых водорослей), когда они растут в ближнем инфракрасном свете, обнаруженном в затененных условиях, таких как бактериальные маты в Йеллоустоне и на прибрежных скалах в Австралии.
Как теперь выяснили ученые, это также происходит в шкафу, оснащенном инфракрасными светодиодами, в Имперском колледже Лондона.
Фотосинтез за пределами красного предела
Стандартный, почти универсальный тип фотосинтеза использует зеленый пигмент, хлорофилл-а, как для сбора света, так и для использования его энергии для производства полезных биохимических веществ и кислорода. Способ, которым хлорофилл-а поглощает свет, означает, что только энергия красного света может использоваться для фотосинтеза.
Поскольку хлорофилл-а присутствует во всех известных нам растениях, водорослях и цианобактериях, считалось, что энергия красного света устанавливает «красный предел» для фотосинтеза; то есть минимальное количество энергии, необходимое для сложной химии, производящей кислород. Красный предел используется в астробиологии, чтобы судить о том, могла ли сложная жизнь развиться на планетах в других солнечных системах.
Однако, когда некоторые цианобактерии выращивают в ближнем инфракрасном свете, стандартные системы, содержащие хлорофилл-а, отключаются, и на смену приходят другие системы, содержащие другой вид хлорофилла, хлорофилл-f.
До сих пор считалось, что хлорофилл-f просто собирает свет. Новое исследование показывает, что вместо этого хлорофилл-f играет ключевую роль в фотосинтезе в затененных условиях, используя низкоэнергетический инфракрасный свет для выполнения сложных химических процессов. Это фотосинтез «за красным пределом».
Ведущий исследователь профессор Билл Резерфорд из Департамента наук о жизни в Империале сказал: «Новая форма фотосинтеза заставила нас переосмыслить то, что мы считали возможным. Это также меняет наше понимание ключевых событий, лежащих в основе стандартный фотосинтез. Это меняет учебник."
Предотвращение повреждения светом
Другая цианобактерия, Acaryochloris, уже известна тем, что осуществляет фотосинтез за пределами красного предела. Однако, поскольку он встречается только у этого одного вида в очень специфической среде обитания, его считали «единичным». Acaryochloris живет под зеленым асцидием, который затеняет большую часть видимого света, оставляя только ближний инфракрасный.
Фотосинтез на основе хлорофилла-f, о котором сообщалось сегодня, представляет собой третий широко распространенный тип фотосинтеза. Однако он используется только в особых условиях тени с инфракрасным излучением; в нормальных условиях освещения используется стандартная красная форма фотосинтеза.
Считалось, что световые повреждения будут более серьезными за пределами красного предела, но новое исследование показывает, что это не проблема в стабильной затененной среде.
Соавтор доктор Андреа Фантуцци из Департамента наук о жизни в Imperial сказал: «Обнаружение типа фотосинтеза, который работает за пределами красного предела, меняет наше понимание энергетических потребностей фотосинтеза. Это дает представление о свете использование энергии и в механизмы, которые защищают системы от повреждения светом."
Эти идеи могут быть полезны исследователям, пытающимся спроектировать сельскохозяйственные культуры для более эффективного фотосинтеза с использованием более широкого диапазона света. То, как эти цианобактерии защищают себя от повреждений, вызванных изменениями яркости света, может помочь исследователям выяснить, что можно внедрить в сельскохозяйственные растения.
Советы, меняющие учебники
В новых системах можно увидеть больше деталей, чем когда-либо прежде в стандартных системах хлорофилла-а. Хлорофиллы, часто называемые «вспомогательными» хлорофиллами, на самом деле выполняли решающую химическую стадию, а не «особая пара» хлорофиллов из учебника в центре комплекса.
Это указывает на то, что эта закономерность сохраняется и для других типов фотосинтеза, что изменит представление учебников о том, как работает доминирующая форма фотосинтеза.
Д-р Деннис Нюрнберг, первый автор и инициатор исследования, сказал: «Я не ожидал, что мой интерес к цианобактериям и их разнообразному образу жизни приведет к серьезным изменениям в нашем понимании фотосинтеза. Удивительно, что еще есть в природе, ожидающие своего открытия».
Питер Бурлинсон, ведущий специалист по передовым биологическим наукам в BBSRC - UKRI, говорит: «Это важное открытие в области фотосинтеза, процесса, который играет решающую роль в биологии сельскохозяйственных культур, которые кормят мир. границы нашего понимания жизни, и профессора Билла Резерфорда и команду Imperial следует поздравить с открытием нового взгляда на такой фундаментальный процесс».