Используя сверхбыструю визуализацию движущейся энергии фотосинтеза, ученые впервые определили скорость важнейших процессов.
Это должно помочь ученым понять, как природа усовершенствовала процесс фотосинтеза и как его можно скопировать для производства топлива путем искусственного фотосинтеза.
Во время фотосинтеза растения собирают свет и, несмотря на химический процесс с участием воды и углекислого газа, превращают его в топливо для жизни.
Важной частью этого процесса является использование энергии света для расщепления воды на кислород и водород. Это делается ферментом под названием Photosystem II. Энергия света собирается «антеннами» и передается в реакционный центр Фотосистемы II, которая удаляет электроны из воды. Это преобразование энергии возбуждения в химическую энергию, известное как «разделение заряда», является первым шагом в расщеплении воды.
Ранее считалось, что процесс разделения зарядов в реакционном центре является «узким местом» в фотосинтезе - самой медленной стадией процесса, - а не переносом энергии по антеннам.
Поскольку структура Фотосистемы II была впервые определена в 2001 году, возникло предположение, что на самом деле это может быть этап передачи энергии, который был самым медленным, но это еще не было возможно доказать экспериментально.
Теперь, используя сверхбыструю визуализацию электронных возбуждений, в которой используются маленькие кристаллы фотосистемы II, ученые из Имперского колледжа Лондона и Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Австрии показали, что самый медленный этап - это на самом деле процесс, через который растения собирают свет и передают его энергию через антенны в реакционный центр.
Новое понимание точной механики фотосинтеза должно помочь исследователям, надеющимся скопировать эффективность естественного фотосинтеза для производства зеленого топлива. Автор исследования доктор Джаспер ван Тор из Департамента наук о жизни Imperial сказал: «Теперь мы можем видеть, как природа оптимизировала физику преобразования световой энергии в топливо, и можем исследовать этот процесс, используя нашу новую технику сверхбыстрых измерений кристаллов.
"Например, важно ли, чтобы узкое место возникало на этом этапе, чтобы сохранить общую эффективность? Можем ли мы имитировать его или настроить, чтобы сделать искусственный фотосинтез более эффективным? Эти и многие другие вопросы теперь можно решить. исследовать."
Соавтор доктор Томас Ренгер из Департамента теоретической биофизики JKU добавил: «Когда мы предсказали нынешнюю модель передачи энергии восемь лет назад, это предсказание было основано на расчетах, основанных на структуре. Поскольку такие расчеты это далеко не тривиально для такой сложной системы, как эта, оставались некоторые сомнения. Техника, изобретенная группой Джаспера в Imperial, позволила нам развеять эти сомнения и полностью подтвердила наши прогнозы».
Хотя исследователи смогли определить, какой шаг быстрее, оба шага происходят невероятно быстро - весь процесс занимает считанные наносекунды (миллиардные доли секунды), а отдельные этапы передачи энергии и разделения заряда занимают всего пикосекунды (триллионные доли секунды).
Команда использовала сложную систему лазеров, чтобы вызвать реакцию в кристаллах Фотосистемы II, а затем измерить в пространстве и времени движение возбужденных электронов - и, следовательно, передачу энергии - через антенны и реакционный центр..
Полученный фильм о движении возбужденных электронов по мельчайшим участкам системы показал, где удерживается энергия и когда она передается. Это доказало, что начальный этап разделения зарядов для реакции разделения воды происходит относительно быстро, но процесс сбора и переноса света происходит медленнее.
Доктор ван Тор добавил: «Были намеки на то, что более ранние модели узкого места фотосинтеза были неверны, но до сих пор у нас не было прямых экспериментальных доказательств. 1990-е больше не поддерживаются."