研究发现分子振动可提高光合作用效率

发布时间:[2014-7-21]     来源:凤凰科技     作者:凤凰科技     点击:

凤凰科技讯北 京时间7月21日消息,科学日报报道,近日美国密西根大学生物物理学研究学者利用短脉冲光对光合作用的力学进行了相关研究并阐明了分子振动在光合作用能量转换过程中所起的作用。这项发现或能帮助工程师制造更高效的太阳能电池和能量储存系统。他们还为有关光合作用是如何变得如此高效的“量子生物学”辩论提供新证据。

通过光合作用,植物和某些细菌会将太阳光、水和二氧化碳转换为它们自身的食物和动物呼吸所需要的氧。这可能是地球上最重要的生物化学过程,但科学家们却仍未完全明白它的工作原理。

密歇根大学的研究人员鉴别了帮助电荷分离的特定分子振动,电荷分离在光合作用的最初几步是将电子踢出原子,后者最终将太阳能转换为化学能量以供植物生长和存活。

“生物和人工光合系统会吸收光能并将它转化为电荷分离。在自然光合作用中,电荷分离会产生生物化学能量。在人造光合系统里,我们希望利用电荷分离以产生电或者其它可以使用的能源,例如生物燃料,”研究首席作者、密西根大学物理学和生物物理学副教授詹妮弗·奥格尔维(Jennifer Ogilvie)这样说道。研究合作作者还包括密西根大学分子、细胞和发生生物学学院兼化学学院的荣誉教授查尔斯·约克姆(Charles Yocum)。这项发现被发表在7月13日的期刊《自然化学》上。

人眨眼只需要1/3秒的时间,而电荷分离的时间大约为前者的1000亿分之一。奥格尔维和她的研究小组设计了一项超快激光脉冲实验,能够匹配这样的反应速度。通过利用精心计时的超短激光脉冲序列,奥格尔维和同事可以启动光合作用并实时拍摄这个过程的快照。

研究小组从树叶里抽取所谓的光系统II反应中心。位于植物细胞叶绿体的光系统II是蛋白质和色素的集合。它还是目前已知唯一的利用太阳能将水分离成氢和氧的自然酶。

为了获得样本,研究人员从杂货店里获得了一袋菠菜叶。“我们移除了茎和脉络,并将它放进搅拌机里然后进行好几步的抽取,从而从细胞膜里移除蛋白复合物,但同时保证它们的完整。这个特殊的系统非常有吸引力,因为电荷分离过程发生的极其高效,在人工材料里,我们有很多很好的可以创造电荷分离的光吸收器和系统,但维持这个分离过程足够久以抽取它进行有用的工作却非常困难。在光系统II反应中心里,这个问题被很好的解决。”

研究人员利用独特的光谱学方法以激起光系统II复合物并检测产生的信号。通过这种方式他们获得了有关树叶能量和电荷的通道的见解。“我们可以小心的追踪整个过程。” 奥格尔维说道。“我们可以调查能量传递的地点以及发生电荷分离的时间。”

科学家们收集的光谱信号包含较长的回声,能够揭示电荷分离过程中特定的振动运动。“我们发现当能级的间隔接近振动频率,我们就可以提高电荷分离,” 奥格尔维说道。“这有点类似水桶队列:你传输给下一条线的水量取决于每个人正确的计时以及合适的运动以最大化生产量。这个实验告诉了我们用于光系统II反应中心里电荷分离的重要计时和运动。” 奥格尔维设想未来利用这些信息逆转这个过程——设计某种具有合适的振动和电子结构的材料以模拟这种高效的电荷分离过程。

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