普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光合隱芽藻類強(qiáng)大的集光秘密。
光合藻類已經(jīng)對它們的光捕捉技術(shù)進(jìn)行了數(shù)百萬年的改進(jìn)。因此，這些藻類擁有強(qiáng)大的集光系統(tǒng)——蛋白質(zhì)吸收光然后轉(zhuǎn)化成能量——科學(xué)家們一直渴望了解其中的機(jī)制并模仿它以應(yīng)用在可再生能源上。
現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的研究人員揭示了一種機(jī)制，其可以提高隱芽藻類Chroomonas mesostigmatica的光捕獲效率。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了12月8日的《化學(xué)》期刊上，為人工集光系統(tǒng)如分子傳感器和太陽能集熱器的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的見解。
隱芽藻類通常生活在其他吸收大部分太陽光線的生物體下面。相應(yīng)的，這些藻類進(jìn)化成依靠那些不被它們的鄰居所捕獲的光——主要是黃綠色光來蓬勃生長。這些藻類收集這種黃綠色光的能量，并將其傳遞到一個(gè)將其轉(zhuǎn)換成紅色光的分子網(wǎng)絡(luò)，在其中葉綠素分子需要執(zhí)行重要的光合化學(xué)。
能量通過該系統(tǒng)的速度既令人印象深刻，又使研究它們的科學(xué)家感到困惑。Scholes實(shí)驗(yàn)室的預(yù)測總是比觀察到的速度慢三倍。“這些能量通過蛋白質(zhì)的時(shí)間尺度——我們永遠(yuǎn)也不會明白為什么這個(gè)過程能夠如此之快，”責(zé)任作者Gregory Scholes說，他是普林斯頓大學(xué)William S. Tod榮譽(yù)化學(xué)教授。
2010年，Scholes的研究小組發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，這些快速率背后的原因是一個(gè)被稱為量子相干性的奇怪現(xiàn)象，在其中分子可以根據(jù)量子力學(xué)概率定律而不是經(jīng)典物理來共享電子激發(fā)和轉(zhuǎn)移能量。但研究小組直到現(xiàn)在為止都無法準(zhǔn)確解釋相干性是如何加快速率的。
通過使用一種復(fù)雜的超快激光方法，研究人員能夠測量分子的光吸收，并從根本上跟蹤系統(tǒng)中的能量流。正常情況下，吸收信號會重疊，使它們不可能被分配到蛋白質(zhì)復(fù)合物內(nèi)的特定分子，但該小組通過將該蛋白質(zhì)冷卻到非常低的溫度能夠提高信號的對比度，Jacob Dean說，他是該文章的主要作者以及Scholes實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。
研究人員觀察了該系統(tǒng)的能量從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子，從高能量的綠色光轉(zhuǎn)移到低能量的紅光，多余的能量以振動能的形式損耗掉。Dean說，這些實(shí)驗(yàn)揭示了一個(gè)特定的光譜模式，它是施主分子和受主分子之間的振動共振或者說振動匹配的一個(gè)確鑿證據(jù)。
這種振動匹配使得能量的轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于通過在分子之間對光激發(fā)進(jìn)行分配所能傳輸?shù)乃俣?。這種效應(yīng)為先前報(bào)道的量子相干性提供了一種機(jī)制?？紤]到這種再分配，研究人員重新計(jì)算了他們的預(yù)測并得出了差不多快三倍的速率。
“終于，該預(yù)測變得大致正確了，”Scholes說。“原來，它需要這種完全不同的，令人驚訝的機(jī)制。”
Scholes實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研究相關(guān)的蛋白質(zhì)，以探討這種機(jī)制是否在其他光合生物體中起作用。最終，科學(xué)家們希望從這些精確調(diào)節(jié)但非常強(qiáng)大的集光蛋白質(zhì)中汲取靈感和設(shè)計(jì)原則，以創(chuàng)造出具有完美的能量傳輸特性的光收集系統(tǒng)。“這種機(jī)制是對這些蛋白質(zhì)的最優(yōu)性的一個(gè)更強(qiáng)大的闡述，”Scholes說。
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