Moc z roślin? Nowo odkryty „wyciek” fotosyntezy oznacza więcej soku

Ilustracja elektronów przepływających wewnątrz komórek roślinnych podczas fotosyntezy.

Tomi Baikie/Uniwersytet Cambridge

Naukowcy od wieków badali fotosyntezę w roślinach, ale teraz międzynarodowy zespół uważa, że ​​odkrył nowe tajemnice wielkiej maszyny natury, która może zrewolucjonizować zrównoważone paliwa i walczyć ze zmianami klimatycznymi. 

Zespół twierdzi, że ustalił, że możliwe jest wydobycie ładunku elektrycznego w najlepszym możliwym momencie fotosyntezy. Oznacza to zebranie maksymalnej ilości elektronów z procesu do potencjalnego wykorzystania w sieciach energetycznych i niektórych typach akumulatorów. Mogłoby to również usprawnić rozwój biopaliw. Choć to dopiero początek, odkrycia, opisane w czasopiśmie Nature , mogą zredukować emisję gazów cieplarnianych w atmosferze i dostarczyć informacji umożliwiających ulepszenie fotowoltaicznych paneli słonecznych. 

Kluczowy przełom nastąpił, gdy naukowcy obserwowali proces fotosyntezy w ultraszybkich skalach czasowych.

„Możemy robić zdjęcia w różnych momentach, co pozwala nam obserwować zmiany w próbce naprawdę, bardzo szybko – milion miliardów razy szybciej niż iPhone” – powiedział CNET Tomi Baikie z Cavendish Laboratory na Uniwersytecie Cambridge.

Zespół zastosował technikę zwaną ultraszybką spektroskopią absorpcji przejściowej, którą można najprościej zrozumieć jako oświetlanie próbki impulsami laserowymi i rejestrowanie tego, co dzieje się w bardzo krótkich odstępach czasu. Dzięki temu można obserwować elektrony poruszające się przez cały proces fotosyntezy. 

Poprzednie demonstracje łączyły cyjanobakterie, glony i inne rośliny z elektrodami, tworząc tak zwane komórki biofotoelektrochemiczne , które wykorzystują proces fotosyntezy do generowania energii elektrycznej. 

Baikie powiedział, że badacze byli zaskoczeni odkryciem nieznanej wcześniej ścieżki przepływu energii na początku procesu, która mogłaby umożliwić wydajniejsze wydobywanie ładunku.

„Polegamy na roślinach we wszystkim, co jemy i całym powietrzu, którym oddychamy, i być może możemy również wykorzystać ich elektrony”. 

Naukowcy odkryli, że miejscem w komórce, w którym rozpoczyna się fotosynteza, jest "wyciek" elektronów. W naturze może to chronić rośliny przed szkodliwymi częściami światła słonecznego. 

Odkrycie nowego, nieszczelnego szlaku może również mieć poważne implikacje dla produkcji biopaliw odnawialnych, zwykle otrzymywanych z roślin lub alg. Biopaliwa mogą być neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, ponieważ pochłaniają dwutlenek węgla podczas wzrostu roślin i uwalniają go z powrotem do atmosfery po spaleniu, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, które uwalniają węgiel, który był przechowywany głęboko w Ziemi od eonów. To, ile biopaliwa węglowego dodaje lub odejmuje z atmosfery, zależy od sposobu uprawy roślin i sposobu produkcji paliwa.

Badania te można wykorzystać do opracowania wydajniejszych procesów tworzenia biopaliw.

„To zupełnie nowe podejście do produkcji biopaliw. Zbieramy elektrony z najwcześniejszych i najpotężniejszych punktów fotosyntezy i tam je kierujemy” –  powiedziała koordynator badań Jenny Zhang , również z Cambridge, za pośrednictwem poczty elektronicznej.

Zhang mówi, że inni próbowali zebrać elektrony z wcześniejszego etapu procesu fotosyntezy, ale doszli do wniosku, że jest to niemożliwe. Mówi, że na początku zespół był przekonany, że popełnił błąd. 

„Zajęło nam trochę czasu, zanim przekonaliśmy się, że to zrobiliśmy” – powiedział Zhang w oświadczeniu.

Przełom zasadniczo obiecuje wykorzystanie większej ilości niesamowitej wydajności fotosyntezy, jeśli chodzi o przekształcanie światła słonecznego w energię.

"To, co sprawia, że ​​fotosynteza jest naprawdę wyjątkowa, to jej prawie 100% skuteczność w przekształcaniu światła w elektrony" - wyjaśnił Baikie. „Rozumiejąc mechanizmy fotosyntezy, możemy wykorzystać tę wiedzę, aby zainspirować nas do ulepszenia istniejącej technologii ogniw słonecznych”.

Oprócz wydajniejszego wytwarzania energii, precyzyjnie dostrojona fotosynteza może również pozwolić na wykorzystanie roślin do lepszego wchłaniania i magazynowania dwutlenku węgla, pomagając tym samym w walce ze zmianami klimatycznymi spowodowanymi przez człowieka.

Zhang wyobraża sobie przyszłość, w której wykorzystanie fotosyntezy pozwoli nam „uprawiać naszą energię tak, jak uprawiamy naszą żywność”, ale robiąc to za pośrednictwem organizmów takich jak cyjanobakterie, co nie będzie wymagało konkurowania z produkcją żywności.

W rzeczywistości, powiedziała, nowe spostrzeżenia zebrane z tych badań mogą dać impuls uprawom, czyniąc je bardziej odpornymi na intensywne światło słoneczne. 

„Na dłuższą metę, gdybyśmy mogli wytwarzać energię odnawialną i paliwa z samogenerujących się, samorecyklujących się, żywych materiałów, byłaby to jedna z najbardziej ekologicznych opcji, jakie można sobie wyobrazić w zakresie zrównoważonego rozwoju”.