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.
Специалисты пристально изучают этот процесс. Одна из задач — построить искусственные энергетические установки, имитирующие работу природной системы. Но воспроизвести фотосинтез довольно сложно и наука пока не умеет настолько эффективно осваивать солнечную энергию.
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.
Неожиданно оказалось, что у белкового каркаса, где происходят начальные химические реакции фотосинтеза, есть "пробоины". Через них электроны уходят, а хиноны их забирают. По мнению ученых, такая негерметичность помогает растениям защитить себя от повреждений при слишком интенсивном облучении, которое система не может "переварить".
"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.
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.
Николай Гурьянов