Scientists get up to speed on the light-harvesting Secrets of photosynthetic algae

photosynthesisalgaerenewable energyquantum coherencemolecular sensors
Microscopy Image of cryptophyte algae
(c) Desmond Toa

Since millions of years ago, photosynthetic algae have been refining their technique for capturing light.

As a result, their light-harvesting systems (proteins that absorb light to be turned into energy) are so powerful that scientists have sought to understand and mimic them to use in renewable energy applications.

Now, researchers at Princeton University have revealed a mechanism that enhances the light-harvesting rates of the cryptophyte algae Chroomonas mesostigmatica. Their findings, published in the Chem journal recently, provide valuable insight for the design of artificial light-harvesting systems like molecular sensors and solar energy collectors. Cryptophyte algae often live below organisms that absorb most of the sun's rays. As a result, they have evolved to thrive on those wavelengths of light not sought after by the organisms above them – mainly the yellow-green colors. They collect this yellow-green light energy and pass it through a network of molecules that converts it into red light, something that chlorophyll molecules need to perform important photosynthetic chemistry. The scientists have always been fascinated and intrigued by the speed of the energy transfer. Their predictions were always about three times slower than the observed rates. The timescales that the energy is moved through the protein – we could never understand why the process so fast, " said corresponding author Gregory Scholes, the William S Tod Professor of Chemistry at Princeton University. In 2010, his team discovered that these fast rates were due to a phenomenon called quantum coherence, in which molecules shared electronic excitation and transfer energy according to quantum mechanical probability laws instead of classical physics. However, they could not explain exactly how coherence worked to speed up the rates – until now. Using a sophisticated method enabled by ultrafast lasers, the researchers measured the molecules' light absorption and tracked the energy flow through the system. Normally the absorption signals would overlap, making them impossible to assign to specific molecules within the protein complex; however, the team was able to sharpen the signals by cooling the proteins down to very low temperatures, said lead author Jacob Dean, postdoctoral researcher in the Scholes lab. The researchers observed the system as energy was transferred from molecule to molecule, from high-energy green light to lower energy red light, with excess energy being lost as vibrational energy. This showed that a specific spectral pattern that was a "smoking gun" for vibrational resonance (or vibrational matching) between the donor and acceptor molecules, said Dean. Thanks to the vibrational matching, energy was able to transfer much faster than it otherwise would be by distributing the excitation between molecules. The effect provided a mechanism for the previously reported quantum coherence. With this in mind, the researchers recalculated their prediction and arrived at a rate that was about three times faster. The Scholes lab intends to study related proteins to investigate whether this mechanism is found in other photosynthetic organisms. Eventually, the scientists hope to develop light-harvesting systems with perfect energy transfer inspired by the robust light-harvesting proteins. This mechanism is one more powerful statement of the optimality of these proteins, " said Scholes.

Xem thêm

stock-art-wager
Freediving Kona: Discover Hawaii's 10 Best Dives

Lặn tự do ở Kona: Khám phá 10 địa điểm lặn đẹp nhất Hawaii

Kona là một trong những điểm đến được ưa chuộng nhất đối với những người đam mê lặn tự do. Khám phá những trải nghiệm lặn tự do tuyệt vời nhất ở Kona, cùng với những lời khuyên từ người dân địa phương và những địa điểm không thể bỏ qua.

Hôm nay
roatanmarineparkadammoore
Benefits of Marine Reserves: What Divers Should Know

Lợi ích của khu bảo tồn biển: Những điều thợ lặn cần biết

Từ những lợi ích về đa dạng sinh học đến khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu, hãy cùng khám phá những lợi ích của các khu bảo tồn biển và lý do tại sao việc bảo vệ hệ sinh thái đại dương lại quan trọng hơn bao giờ hết.

2 ngày trước
jman78
Kids Scuba Trips: Tips for Finding Family-Friendly Options

Các chuyến đi lặn biển cho trẻ em: Mẹo tìm kiếm các lựa chọn phù hợp cho gia đình

Lên kế hoạch cho chuyến đi lặn biển cùng gia đình? Khám phá những điểm lặn thân thiện với gia đình nhất, những lời khuyên về trang thiết bị cần thiết và cách chọn trung tâm lặn được chứng nhận trên toàn thế giới.

4 ngày trước
predrag-vuckovic
How to Become a Freediving Instructor: A Six-Month Roadmap

Làm thế nào để trở thành một huấn luyện viên lặn tự do: Lộ trình sáu tháng

Bạn đang thắc mắc làm thế nào để trở thành huấn luyện viên lặn tự do? Cẩm nang sáu tháng này sẽ hướng dẫn bạn các khóa học, kỹ năng và các bước để từ người mới bắt đầu trở thành chuyên gia.

6 ngày trước
wei-shang
How Can You Become a Mermaid? The Ultimate Guide

Làm thế nào để trở thành nàng tiên cá? Hướng dẫn chi tiết

Làm thế nào để trở thành nàng tiên cá? Khám phá mọi thứ bạn cần để bắt đầu hành trình trở thành nàng tiên cá ngay hôm nay—đào tạo, kỹ năng, an toàn và các khóa học nàng tiên cá tốt nhất.

8 ngày trước