Naudodami ultragreitą sužadintų elektronų infraraudonųjų spindulių diapazone registravimo būdą, mokslininkai pirmą kartą realiu laiku užfiksavo esminius fotosintezės energijos perdavimo procesus ir pirmą kartą išmatavo jų greitį.
Šis pasiekimas turėtų padėti mokslininkams suprasti, kaip gamta ištobulino fotosintezės procesą, ir kaip juo būtų galima pasinaudoti, kuriant dirbtinę fotosintezę.
Fotosintezės metu augalai sugeria šviesą, o jos energiją panaudoja cheminiams procesams – angliavandenio gliukozės iš anglies dioksido ir vandens sintetinimui, o kaip šalutinis produktas išsiskiria deguonis.
Esminė šio proceso stadija yra vandens skaidymas į deguonį ir vandenilį. Tai daro fermentas, vadinamas Fotosistema II (Photosystem II). Jame šviesos fotonai yra „antenos“ pagaunami ir perduodami į šio fermento reakcijos centrą. Čia elektronai yra sužadinami ir atplėšiami nuo vandens molekulės – tai pirmas vandens skaidymo žingsnis, dar vadinamas krūvių atskyrimu.
Nuo 2001 metų, kuomet buvo nustatyta Fotosistemos II struktūra, buvo manoma, kad būtent krūvio atskyrimo reakcijos centre procesas yra „butelio kakliukas“ visoje fotosintezės reakcijoje – pats lėčiausias žingsnis šiame procese, o energija antena perduodama labai greitai, bet iki šiol eksperimentinių įrodymų nebuvo.
Naudojant ultragreitą sužadintų elektronų registravimą Fotosistemos II kristaluose, mokslininkai iš Londono Imperatoriškojo koledžo (Imperial College London ) ir Keplerio universiteto (Johannes Kepler University, Austrija) įrodė, kad lėčiausiai žingsnis vis tik yra procesas, kurio metu augalai absorbuoja šviesą ir perduodą ją išilgai antenos perduoda į reakcijos centrą.
Vienas iš tyrimo autorių Jasperas van Toras (dr. Jasper van Thor) iš Londono Imperatoriškojo koledžo Gyvybės mokslų fakulteto, teigė: „Dabar, naudodami ultrasparčiuosius elektronų kristaluose matavimus, mes galime tiesiogiai pamatyti, kaip gamta optimizavo fotosintezės procesą. Yra svarbu suprasti, kodėl lėčiausias procesas yra šviesos energijos perdavimas antena – ar tai vyksta, kad būtų išsaugotas bendras efektyvumas ar dėl kitų priežasčių? Ar mes galėtume tai imituoti o gal net valdyti ir sukurti net efektyvesnę dirbtinę fotosintezę nei gamtoje? Šie ir kiti klausimai dabar gali būti atsakyti“.
Nors mokslininkams pavyko nustatyti, kuris etapas – ar energijos perdavimas antena, ar elektronų atplėšimas nuo vandens molekulės vyksta greičiau, iš tiesų jie abu yra neįtikėtinai greiti – visas procesas užtrunka kelias nanosekundes (milijardines sekundės dalis), o krūvių atskyrimas – pikosekundes (trilijonines sekundės dalis).
Šios naujos įžvalgos apie precizinį fotosintezės mechanizmą turėtų padėti mokslininkams suprasti, kodėl fotosintezė yra tokia efektyvi ir kaip šį procesą būtų galima panaudoti dirbtinėje fotosintezėje, norint gaminti ekologiškus degalus.
Tarp šio svarbaus tyrimo autorių – ir lietuvis Marius Kaučikas.
Ultrafast infrared observation of exciton equilibration from oriented single crystals of photosystem II. Marius Kaucikas, Karim Maghlaoui, Jim Barber, Thomas Renger and Jasper J van Thor Nature Communications. DOI: 10.1038/NCOMMS13977
Representation of energy redistribution in space (single pigment basis) and time (femtosecond to nanosecond). The left and right compare the different initial distributions that can be created. Credit: M Kaucikas et al 2016
Rotating view of a ‘time-zero’ population of excited pigments (under particular excitation direction). Credit.: M Kaucikas et al 2016
Daugiau:
Jaunieji mokslininkai – žemės ūkio pažangai
Nuo A iki Z: kaip namuose auginti augalus su augalų lempomis