يمهد البناء الضوئي المبتكر “الاختراق” الطريق لتحقيق اختراقات في مجال الطاقة المتجددة

لقد “اخترق” الباحثون الخطوات الأولى لـ[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

https://www.youtube.com/watch؟v=p-c5wvr_U-I
على الرغم من أن التمثيل الضوئي هو عملية معروفة على نطاق واسع وتمت دراستها على نطاق واسع ، إلا أن الباحثين في جامعة كامبريدج اكتشفوا أنها لا تزال تحمل أسرارًا خفية. باستخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، اكتشفوا أن استخلاص الإلكترونات من الهياكل الجزيئية المسؤولة عن التمثيل الضوئي يحدث في مراحل مبكرة عما كان يُفترض سابقًا. يمكن أن يؤدي هذا “إعادة الأسلاك” لعملية التمثيل الضوئي إلى إدارة أفضل للطاقة الزائدة وتطوير طرق جديدة أكثر كفاءة لتسخير إمكاناتها. ائتمانات: Mairi Eyres

وقالت الدكتورة جيني زانج من قسم الكيمياء يوسف حميد في كامبريدج ، والتي نسقت البحث: “لم نكن نعرف الكثير عن التمثيل الضوئي كما كنا نظن ، ومسار نقل الإلكترون الجديد الذي وجدناه هنا مثير للدهشة تمامًا”.

على الرغم من أن التمثيل الضوئي هو عملية طبيعية ، فقد بحث العلماء أيضًا في كيفية استخدامه للمساعدة في معالجة أزمة المناخ ، عن طريق محاكاة عمليات التمثيل الضوئي لتوليد وقود نظيف من ضوء الشمس والماء ، على سبيل المثال.

كان زانغ وزملاؤه يحاولون في الأصل اكتشاف سبب قدرة جزيء على شكل حلقة يسمى كينون على “سرقة” الإلكترونات من عملية التمثيل الضوئي. الكينونات شائعة في الطبيعة ويمكنها بسهولة قبول الإلكترونات والتبرع بها. استخدم الباحثون تقنية تسمى التحليل الطيفي للامتصاص العابر فائق السرعة لدراسة سلوك الكينونات في البكتيريا الزرقاء الضوئية.

درس فريق دولي من العلماء عملية التمثيل الضوئي في الخلايا الحية بمقياس زمني فائق السرعة يبلغ جزء من المليون من المليون من الثانية. على الرغم من البحث المكثف ، لا يزال التمثيل الضوئي يحمل أسرارًا غير مكتشفة. باستخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، اكتشف الفريق أن المواد الكيميائية تستخرج الإلكترونات من الهياكل الجزيئية المشاركة في التمثيل الضوئي في مراحل مبكرة جدًا مما كان يُعتقد سابقًا. يمكن أن يؤدي “تجديد الأسلاك” هذا إلى تحسين معالجة العملية للطاقة الزائدة وإنشاء طرق جديدة وفعالة لتسخير قوتها. 1 رصيد

قال تشانغ: “لم يدرس أحد بشكل صحيح كيفية تفاعل هذا الجزيء مع آليات التمثيل الضوئي في مثل هذه المرحلة المبكرة من التمثيل الضوئي: كنا نظن أننا نستخدم تقنية جديدة لتأكيد ما نعرفه بالفعل”. “وبدلاً من ذلك ، وجدنا مسارًا جديدًا تمامًا وفتحنا الصندوق الأسود لعملية التمثيل الضوئي قليلاً.”

باستخدام التحليل الطيفي فائق السرعة لمراقبة الإلكترونات ، اكتشف الباحثون أن سقالة البروتين التي تحدث فيها التفاعلات الكيميائية الأولية لعملية التمثيل الضوئي “متسربة” ، مما يسمح للإلكترونات بالهروب. يمكن أن يساعد هذا التسرب النباتات على الحماية من التلف الناتج عن الضوء الساطع أو المتغير بسرعة.

قال المؤلف الأول المشارك تومي بايكي ، من مختبر كافنديش في كامبريدج: “إن فيزياء التمثيل الضوئي رائعة حقًا”. “عادةً ما نعمل مع مواد عالية الترتيب ، ولكن مراقبة نقل الشحنة عبر الخلايا تفتح فرصًا رائعة لاكتشافات جديدة حول كيفية عمل الطبيعة.”

قالت المؤلفة المشاركة الأولى الدكتورة لورا واي ، التي أنجزت العمل في قسم الكيمياء الحيوية ومقرها الآن في جامعة توركو بفنلندا ، “نظرًا لتناثر الإلكترونات الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي في جميع أنحاء النظام ، فهذا يعني أنه يمكننا الوصول إليها”. “حقيقة أننا لا نعرف أن هذا المسار موجود أمر مثير ، حيث قد نتمكن من تسخيره لاستخراج المزيد من الطاقة من أجل مصادر الطاقة المتجددة.”

يقول الباحثون إن القدرة على استخلاص الشحنات في مرحلة مبكرة من عملية التمثيل الضوئي يمكن أن تجعل العملية أكثر كفاءة عند معالجة مسارات التمثيل الضوئي لتوليد وقود نظيف من الشمس. بالإضافة إلى ذلك ، قد تعني القدرة على تنظيم التمثيل الضوئي أن المحاصيل يمكن أن تكون أكثر قدرة على تحمل أشعة الشمس الشديدة.

قال تشانغ: “حاول العديد من العلماء استخلاص الإلكترونات من نقطة سابقة في عملية التمثيل الضوئي ، لكنهم قالوا إن ذلك غير ممكن لأن الطاقة مدفونة في سقالة البروتين”. “حقيقة أنه يمكننا سرقتهم في عملية سابقة هو أمر محير للعقل. في البداية اعتقدنا أننا ارتكبنا خطأً: لقد استغرقنا وقتًا طويلاً لإقناع أنفسنا بأننا فعلنا ذلك.

كان مفتاح الاكتشاف هو استخدام التحليل الطيفي فائق السرعة ، والذي سمح للباحثين بتتبع تدفق الطاقة في خلايا التمثيل الضوئي الحية على مقياس فيمتوثانية – جزء من ألف من تريليون من الثانية.

قال المؤلف المشارك البروفيسور كريستوفر هاو من قسم الكيمياء الحيوية: “لقد منحنا استخدام هذه الأساليب فائقة السرعة فهمًا أفضل للأحداث المبكرة لعملية التمثيل الضوئي ، والتي تعتمد عليها الحياة على الأرض”.

المرجع: “التركيب الضوئي المعاد توصيله على مقياس الوقت البيكو الثاني” بقلم تومي ك.بايكي ، لورا تي واي ، جوشوا إم لورانس ، هايتس ميديبالي ، إروين ريزنر ، مارك إم. كريستوف شنيديرمان ، أكشاي راو ، وجيني زهانج ، 22 مارس 2023 ، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05763-9

تم دعم البحث جزئيًا من قبل مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية (EPSRC) ، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية (BBSRC) الذي يعد جزءًا من المملكة المتحدة للبحث والابتكار (UKRI) ، وبرنامج وينتون لفيزياء الاستدامة في جامعة. كامبردج وكومنولث كامبريدج والصندوق الأوروبي والدولي وبرنامج البحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي هورايزون 2020. جيني زانغ باحثة في ديفيد فيليبس في قسم الكيمياء في يوسف حميد وزميلة في كلية كوربوس كريستي ، كامبريدج. Tomi Baikie هو زميل NanoFutures في Cavendish Lab. لورا واي زميلة ما بعد الدكتوراه في مؤسسة نوفو نورديسك بجامعة توركو.