超快激光应用:揭示光合藻类的集光秘密

普林斯顿大学的研究人员已经发现了光合隐芽藻类强大的集光秘密。

光合藻类已经对它们的光捕捉技术进行了数百万年的改进。因此,这些藻类拥有强大的集光系统——蛋白质吸收光然后转化成能量——科学家们一直渴望了解其中的机制并模仿它以应用在可再生能源上。

现在,普林斯顿大学的研究人员揭示了一种机制,其可以提高隐芽藻类Chroomonas mesostigmatica的光捕获效率。这些发现发表在了12月8日的《化学》期刊上,为人工集光系统如分子传感器和太阳能集热器的设计提供了有价值的见解。

隐芽藻类通常生活在其他吸收大部分太阳光线的生物体下面。相应的,这些藻类进化成依靠那些不被它们的邻居所捕获的光——主要是黄绿色光来蓬勃生长。这些藻类收集这种黄绿色光的能量,并将其传递到一个将其转换成红色光的分子网络,在其中叶绿素分子需要执行重要的光合化学。

能量通过该系统的速度既令人印象深刻,又使研究它们的科学家感到困惑。Scholes实验室的预测总是比观察到的速度慢三倍。“这些能量通过蛋白质的时间尺度——我们永远也不会明白为什么这个过程能够如此之快,”责任作者Gregory Scholes说,他是普林斯顿大学William S. Tod荣誉化学教授。

普林斯顿大学的研究人员已经发现了光合隐芽藻类强大的集光秘密。
普林斯顿大学的研究人员已经发现了光合隐芽藻类强大的集光秘密。

2010年,Scholes的研究小组发现了证据,这些快速率背后的原因是一个被称为量子相干性的奇怪现象,在其中分子可以根据量子力学概率定律而不是经典物理来共享电子激发和转移能量。但研究小组直到现在为止都无法准确解释相干性是如何加快速率的。

通过使用一种复杂的超快激光方法,研究人员能够测量分子的光吸收,并从根本上跟踪系统中的能量流。正常情况下,吸收信号会重叠,使它们不可能被分配到蛋白质复合物内的特定分子,但该小组通过将该蛋白质冷却到非常低的温度能够提高信号的对比度,Jacob Dean说,他是该文章的主要作者以及Scholes实验室的博士后研究员。

研究人员观察了该系统的能量从一个分子转移到另一个分子,从高能量的绿色光转移到低能量的红光,多余的能量以振动能的形式损耗掉。Dean说,这些实验揭示了一个特定的光谱模式,它是施主分子和受主分子之间的振动共振或者说振动匹配的一个确凿证据。

这种振动匹配使得能量的转移远远快于通过在分子之间对光激发进行分配所能传输的速度。这种效应为先前报道的量子相干性提供了一种机制。考虑到这种再分配,研究人员重新计算了他们的预测并得出了差不多快三倍的速率。

“终于,该预测变得大致正确了,”Scholes说。“原来,它需要这种完全不同的,令人惊讶的机制。”

Scholes实验室计划研究相关的蛋白质,以探讨这种机制是否在其他光合生物体中起作用。最终,科学家们希望从这些精确调节但非常强大的集光蛋白质中汲取灵感和设计原则,以创造出具有完美的能量传输特性的光收集系统。“这种机制是对这些蛋白质的最优性的一个更强大的阐述,”Scholes说。

Related Posts

Read More

光语为您介绍——如何用好硅藻,养出高蛋白鱼虾蟹

本文聚焦硅藻在鱼虾蟹养殖场中的重要作用及助力鱼虾蟹优质生长的方法。指出硅藻虽微小却能量巨大,是单细胞藻类,广泛分布于淡水和海水中。其为幼体鱼虾蟹提供富含营养的天然饵料,助其发育并提高存活率;能改善水质,增加溶氧,吸收氮磷,维持水体平衡与清澈;还可稳定养殖环境生态系统,调节其他生物数量与分布。为让鱼虾蟹长得更好、富含更多蛋白质,要合理调控养殖环境,包括适宜的水体条件与适度的养殖密度;科学管理饵料,监测硅藻状况调整投喂策略;加强水质监测和调控,采取换水、添加制剂等措施;引入有益微生物与硅藻协同作用,增强鱼虾蟹免疫力和消化功能。总之,科学利用硅藻优势能创造优越生长条件,带来经济效益,推动水产养殖可持续发展,未来其应用潜力有望进一步拓展。…

Read More

光语为您介绍——衣藻

摘要:本文主要介绍了名为衣藻的单细胞生物。首先描述其生物形态,如呈卵形或球形,直径约 5 - 10 微米,具有细胞壁等结构,细胞质含大型杯状叶绿体,前端有两根鞭毛。接着阐述其多样的繁殖方式,包括无性生殖和有性生殖,这使其能在不同环境迅速繁衍并保持种群稳定。衣藻是生态系统中的初级生产者,影响水体生态平衡,适宜环境中可改善水质,环境变化时可能导致水华。在科学研究中,因其单细胞、结构简单、生长周期短、易培养,成为研究细胞生物学等的理想模式生物。在生物技术领域,衣藻在生物制氧、生物燃料开发和环境监测等方面有广阔应用前景。总之,衣藻虽小却重要,未来对其研究有望带来更多成果,我们应重视对其的探索。…

Read More

光语为您介绍——角毛藻

本文主要介绍了硅藻中常见的一类,角毛藻。角毛藻属于硅藻门,细胞呈扁椭圆形,壳面多为椭圆形,常借角毛形成链状或相互连接。它种类繁多、分布广泛,在我国近海是重要的浮游硅藻。 角毛藻生活在海水、半咸水及极少数淡水中,适宜 10℃至 39℃生长,25℃至 35℃最宜。其繁殖方式多样,包括形成复大孢子、休眠孢子和有性繁殖。 角毛藻是许多海洋动物的饵料生物,在海洋浮游生物中地位重要,但也可能在某些情况下危害水质或水生生物。常见种类如洛氏角毛藻、窄细角毛藻、牟氏角毛藻等。 中国科学院海洋研究所陈楠生课题组研究发现,胶州湾角毛藻多样性可能被严重低估。在南美白对虾养殖中,角毛藻曾作虾苗开口料,但有自身弱点,海链藻可作为替代。总之,角毛藻对海洋生态重要,深入研究其特性和生态作用,利于了解海洋生态平衡,实际应用中要合理利用,避免负面影响。…

Write a comment