يتعرف العلماء على أسرار حصاد الضوء للطحالب الضوئية

December 23, 2016 منذ ملايين السنين، قامت الطحالب التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي بتحسين أسلوبها في التقاط الضوء.

ونتيجة لذلك، فإن أنظمة حصاد الضوء لديهم (البروتينات التي تمتص الضوء (لتتحول إلى طاقة) قوية جدًا لدرجة أن العلماء سعىوا إليها لفهمها وتقليدها لاستخدامها في تطبيقات الطاقة المتجددة.

الآن، كشف الباحثون في جامعة برينستون عن آلية ذلك يعزز معدلات الحصاد الضوئي لطحالب الكريبتوفيت Chroomonas الظهارة المتوسطة. النتائج التي توصلوا إليها، والتي نشرت في مجلة الكيمياء مؤخرا، توفير رؤية قيمة لتصميم حصاد الضوء الاصطناعي أنظمة مثل أجهزة الاستشعار الجزيئية ومجمعات الطاقة الشمسية.

تعيش الطحالب الكريبتوفيت غالبًا تحت الكائنات الحية التي تمتص معظم أشعة الشمس. ونتيجة لذلك، فقد تطورت لتزدهر على تلك أطوال موجية من الضوء لا تسعى إليها الكائنات فوقها – الألوان الأصفر والأخضر بشكل أساسي.

يجمعون هذا الضوء الأصفر والأخضر الطاقة وتمريرها عبر شبكة من الجزيئات التي تحولها إلى الضوء الأحمر، وهو الأمر الذي تحتاج جزيئات الكلوروفيل إلى القيام به كيمياء التمثيل الضوئي الهامة.

لطالما كان العلماء مفتونين ومفتونين بالسرعة من نقل الطاقة. وكانت توقعاتهم دائما حوالي ثلاث مرات أبطأ من المعدلات الملحوظة.

"الجداول الزمنية للطاقة انتقلت عبر البروتين – لم نتمكن أبدًا من فهم سبب هذه العملية سريع جدًا،" قال المؤلف المقابل جريجوري سكولز، ويليام إس تود أستاذ الكيمياء في جامعة برينستون.

في عام 2010، اكتشف فريقه أن هذه المعدلات السريعة كانت بسبب أ ظاهرة تسمى التماسك الكمي، حيث تتشارك الجزيئات الإثارة الإلكترونية ونقل الطاقة حسب الكم قوانين الاحتمالات الميكانيكية بدلا من الفيزياء الكلاسيكية. ومع ذلك، فإنهم لم أستطع أن أشرح بالضبط كيف عمل التماسك على تسريع المعدلات - الى الآن.

باستخدام طريقة متطورة باستخدام أشعة الليزر فائقة السرعة، تم قام الباحثون بقياس امتصاص الجزيئات للضوء وتتبعوا تدفق الطاقة من خلال النظام.

عادة ما تكون إشارات الامتصاص تتداخل، مما يجعل من المستحيل تخصيصها لجزيئات معينة داخلها مجمع البروتين. ومع ذلك، تمكن الفريق من زيادة حدة الإشارات وقال المؤلف الرئيسي، عن طريق تبريد البروتينات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية جاكوب دين، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر سكولز.

ولاحظ الباحثون النظام كما تم نقل الطاقة من جزيء إلى جزيء، من الضوء الأخضر عالي الطاقة إلى اللون الأحمر الأقل طاقة الضوء، مع فقدان الطاقة الزائدة على شكل طاقة اهتزازية. أظهر هذا أن النمط الطيفي المحدد كان بمثابة "بندقية دخان" له الرنين الاهتزازي (أو المطابقة الاهتزازية) بين الجهة المانحة و قال دين: الجزيئات المستقبلة.

بفضل المطابقة الاهتزازية، تمكنت الطاقة من نقل الكثير أسرع مما سيكون عليه خلاف ذلك عن طريق توزيع الإثارة بين الجزيئات. قدم التأثير آلية لما سبق ذكرت التماسك الكم.

ومع أخذ هذا في الاعتبار، الباحثون أعادوا حساب توقعاتهم ووصلوا إلى المعدل الذي كان على وشك أسرع ثلاث مرات.

يعتزم مختبر سكولز دراسة البروتينات ذات الصلة للتحقيق فيها ما إذا كانت هذه الآلية موجودة في الكائنات الحية الأخرى التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

في نهاية المطاف، يأمل العلماء في تطوير أنظمة حصاد الضوء مع نقل مثالي للطاقة مستوحى من حصاد الضوء القوي البروتينات.

"تعد هذه الآلية بيانًا أقوى لـ الأمثل لهذه البروتينات،" قال سكولز.