Ученые раскрыли удивительный механизм, лежащий в основе невероятной эффективности фотосинтеза. Оказалось, что ключевую роль играет неупорядоченное, хаотичное расположение специальных белков-«антенн», которые улавливают фотоны света. Именно эта структурная нерегулярность обеспечивает так называемую «почти квантовую эффективность» — способность преобразовывать почти каждый поглощенный фотон в полезную энергию.
Фотосинтез — это фундаментальный процесс, позволяющий растениям, водорослям и некоторым бактериям превращать световую энергию в химическую с эффективностью, близкой к 100%. Достигается это благодаря сложной сети светособирающих комплексов (антенн), которые захватывают фотоны и направляют полученную энергию в реакционные центры. Там она преобразуется, запуская цепь реакций для производства питательных веществ и кислорода.
Загадка дальнего переноса энергии
Хотя принципы работы отдельных антенных белков изучены хорошо, механизм передачи энергии между ними на нанометровых расстояниях долгое время оставался загадкой. Сложность заключалась в огромном количестве взаимодействующих белков, их неоднородной организации и схожих оптических свойствах. Ученые не могли понять, как энергия фотонов практически не теряется при передаче на расстояния от 25 до 200 нанометров от антенн к реакционным центрам.
Прорыв в решении этой задачи совершили исследователи из Массачусетского технологического института (MIT). В своей работе, опубликованной в журнале PNAS, они впервые измерили энергию, передаваемую между белками-антеннами, и пришли к неожиданному выводу: случайное, беспорядочное расположение этих белков не является недостатком, а, наоборот, ключевым фактором сверхвысокой эффективности.
«Для работы этой антенны критически важен дальний перенос энергии. Наше главное открытие состоит в том, что именно хаотичная организация светособирающих белков значительно повышает эффективность этой передачи на большие расстояния», — поясняет Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии MIT и ведущий автор исследования.
Эксперимент на пурпурных бактериях
В качестве модели для изучения ученые выбрали фотосинтезирующие пурпурные бактерии. Эти организмы идеально подходят для лабораторных исследований благодаря относительной простоте их фотосинтетического аппарата и отчетливым спектральным свойствам.
Чтобы детально изучить межбелковый перенос энергии, команда создала искусственные наномембраны, имитирующие бактериальные. В эти мембраны были встроены два типа антенных белков (LH2 и LH3), активных при разном уровне освещения. Контролируя размер мембран, исследователи могли точно задавать расстояние между белками.
Наблюдения с помощью криоэлектронного микроскопа показали, что в искусственных системах белки располагались на расстоянии 2.5–3 нанометра друг от друга — почти так же, как в природных бактериальных мембранах.
Обратите внимание: Достигнут рубеж в процессе искусственного фотосинтеза.
Скорость и эффективность: почему важен хаос
Измерения выявили прямую зависимость между скоростью передачи энергии и расстоянием между белками. При плотной упаковке энергия переходила от одного белка к другому примерно за 6 пикосекунд. Если же белки находились дальше друг от друга, время передачи увеличивалось до 15 пикосекунд.
Чем быстрее происходит передача, тем она эффективнее, так как у энергии остается меньше времени на рассеивание в виде тепла. «Когда фотон поглощается, начинается обратный отсчет до того момента, когда энергия будет потеряна. Поэтому чем быстрее происходит преобразование, тем выше общая эффективность системы», — объясняет Шлау-Коэн.
Самый важный результат был получен при сравнении хаотичной и упорядоченной структур. Когда ученые расположили белки в виде идеальной решетки, эффективность передачи энергии резко упала. Это доказало, что наблюдаемый в живой природе «беспорядок» — не случайность, а эволюционное преимущество, позволяющее достигать рекордной, почти стопроцентной квантовой эффективности.
В планах исследователей — изучить, как происходит передача энергии от антенных белков непосредственно к реакционным центрам, а также исследовать этот механизм у более сложных организмов, включая растения. Это открытие может стать основой для создания новых высокоэффективных систем искусственного фотосинтеза и солнечных батарей, вдохновленных природой.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Во время фотосинтеза каждый фотон, собранный так называемыми "антенными" белками, генерирует энергию с невероятно высокой эффективностью.