Фотосинтез является движущей силой жизни на этой планете более 3 миллиардов лет - сначала в бактериях, затем в растениях, но мы точно не знаем, как он работает.
Теперь биофизик Мичиганского университета и ее группа смогли запечатлеть момент, когда фотон запускает первые этапы преобразования энергии фотосинтеза.
В процессе фотосинтеза свет попадает на окрашенные молекулы, встроенные в белки, называемые антенными комплексами, собирающими свет. Эти же самые молекулы придают деревьям их красивые осенние цвета в Мичигане. Оттуда энергия направляется к белку фотосинтетического реакционного центра, который начинает направлять энергию света через процесс фотосинтеза. Конечный продукт? Кислород в случае растений и энергия для организма.
Дженнифер Огилви, профессор физики и биофизики Университета штата Массачусетс, изучала фотосинтетические реакционные центры у пурпурных бактерий. Эти центры аналогичны реакционным центрам растений, за исключением того, что они используют другие пигменты для улавливания и извлечения энергии из света. В реакционных центрах пурпурных бактерий имеется шесть слегка окрашенных пигментов.
«Основная архитектура фотосинтеза заключается в том, что у вас есть множество светособирающих комплексов антенн, задачей которых является сбор световой энергии», - сказал Огилви. «Они наполнены пигментами, взаимное расположение которых стратегически расположено так, чтобы направлять энергию туда, куда ей нужно направиться для первых шагов преобразования энергии».
Разноцветные пигменты борются с разными энергиями света и приспособлены для сбора света, доступного бактериям. Фотоны возбуждают пигменты, что запускает передачу энергии в реакционных центрах фотосинтеза.
«Антенны поглощают солнечную энергию и создают молекулярное возбуждение, а в реакционном центре возбуждение преобразуется в разделение зарядов», - сказал Огилви. «Вы можете думать об этом как о батарее».
Но именно этот момент - момент разделения зарядов - ученые еще не нарисовали четко. Огилви и ее команда смогли сделать снимки, чтобы запечатлеть этот момент, используя современную «камеру», называемую двумерной электронной спектроскопией..
В частности, Огилви и ее команда смогли четко определить скрытое состояние или энергетический уровень. Это важное состояние для понимания, потому что оно является ключом к начальному разделению зарядов или моменту, когда начинается преобразование энергии во время фотосинтеза. Они также смогли наблюдать последовательность шагов, ведущих к разделению заряда.
Находка является особым достижением из-за того, как невероятно быстро происходит это преобразование энергии - в течение нескольких пикосекунд. Пикосекунды - это одна триллионная секунды, невообразимая временная шкала. Медоносная пчела взмахивает крыльями 200 раз в секунду. Первые этапы преобразования энергии в пурпурных бактериях происходят еще до того, как пчела даже подумает о том, чтобы опустить вниз свой первый лоскут.
«Из рентгеновской кристаллографии мы очень хорошо знаем структуру системы, но взять структуру и точно предсказать, как она работает, всегда очень сложно», - сказал Огилви. «Лучшее понимание того, где находятся энергетические уровни, будет очень полезно для установления структурно-функциональных отношений этих фотосинтетических реакционных центров».
Помимо раскрытия тайны фотосинтеза, работа Огилви может помочь узнать, как сделать солнечные батареи более эффективными.
«Часть моей мотивации для изучения естественной системы фотосинтеза заключается в том, что существует также необходимость разработки более продвинутых технологий для сбора солнечной энергии», - сказал Огилви.«Поэтому, понимая, как это делает природа, мы надеемся, что сможем использовать уроки природы, чтобы помочь в разработке улучшенных материалов для сбора искусственного света».