Ученые приблизились к тому, чтобы воспроизвести фотосинтез — изобретенный природой механизм получения энергии, важнейший химический процесс для жизни на Земле. В этом направлении активно ведут исследования и в России.
Сложная схема
Растения, цианобактерии и археи используют энергию Солнца, чтобы поглощать из воздуха углекислый газ. Затем из СО2 и воды они синтезируют органические вещества. В качестве побочного продукта получается кислород — весь О2 в земной атмосфере создан именно таким образом.
У высших растений и цианобактерий квант света поглощается пигментом хлорофиллом, от чьей молекулы электрон отрывается и движется по так называемой электрон-транспортной цепи. Запускается сложная схема, которая в итоге создает энергию для фиксации СО2.
Для создания эффективных энергетических устройств нужно, чтобы "оторванный" в результате взаимодействия фотона и хлорофилла электрон не терялся в недрах "транспортной системы", а сразу попадал на акцептор энергетического устройства. И недавно международная группа ученых под руководством специалистов из Кембриджского университета заявила, что приблизилась к этой цели.
Взломали систему
Открытие сделали случайно. Химик Дженни Чжан и ее коллеги хотели выяснить, каким образом молекулы, известные как хиноны, "крадут" электроны, высвобождаемые хлорофиллом под воздействием света. Ученые исследовали культуру цианобактерий методом сверхбыстрой спектроскопии, позволяющей отслеживать поток энергии в живых фотосинтезирующих клетках в масштабе фемтосекунды — десять в минус пятнадцатой степени секунды.
"Многие ученые пытались извлечь электроны на более ранней стадии фотосинтеза. Но до сих пор это считалось невозможным, потому что энергия слишком глубоко погружена в белковый каркас, — говорит Чжан. — Тот факт, что нам удалось "украсть" электроны на раннем этапе, поражает воображение".
Команда ученых надеется, что в будущем с помощью такого "взлома" фотосинтеза можно ускорить создание возобновляемых источников энергии. Но для этого нужны дополнительные исследования.
Заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений имени Тимирязева Российской академии наук, член-корреспондент РАН Сулейман Аллахвердиев считает работу значимым достижением.
"Однако результаты важно повторить, используя не только цианобактерии, но и другие модельные системы. При этом нужно оценить квантовый выход этой самой простейшей модели, имитирующей начальную стадию переноса электрона, и ее устойчивость при изменении внешних условий", — отметил российский ученый.
"Оба процесса бесплатны"
Лаборатория Аллахвердиева активно изучает возможность применения в энергетике систем на основе фотосинтеза. Одно из направлений работы — подготовка научной базы для создания устройств по производству водорода.
"Энергия для этого процесса будет поставляться солнцем, а электроны и протоны — фотосинтетическим расщеплением воды в оксигенном фотосинтезе. Оба процесса бесплатны, причем второй природа оптимизировала уже в течение миллионов лет", — объясняет специалист.
Кроме того, российские ученые ищут новые методы применения солнечной энергии, которые позволят минимизировать использование редких и тяжелых металлов в различных процессах фотокатализа. Это, помимо прочего, поможет решить проблему перенасыщения атмосферы парниковым газом.
"Потери территорий": ученые спрогнозировали будущее России
24 марта, 08:00
По словам Аллахвердиева, время появления энергетических установок на основе фотосинтеза трудно прогнозировать, но ученые создают предпосылки для решения вопроса.
"Эффективное использование солнечной энергии и воды, создание перспективных систем искусственного фотосинтеза и разработка продуктивного катализатора для получения экологически чистого молекулярного водорода — это направления исследований, от успеха которых зависит будущее человечества", — подчеркивает Аллахвердиев.
По его мнению, несмотря на сложности создания таких систем, усилия по их разработке необходимо продолжить.
