A növények titkos fegyvere: fotószintézis atomi szinten

Képzeld el, hogy egy napfényes mezőn állsz, és száz meg száz napraforgó ringatózik a szélben. Gyönyörű látvány. De tudtad, hogy abban a pillanatban a Föld egyik leglenyűgözőbb kémiai folyamata zajlik a szemed előtt?

A növények percek alatt töltik fel a saját "akkumulátorukat". És mindezt villámgyorsan, szinte láthatatlanul intézik.

Évtizedek óta keresték a választ

A tudósok régóta tudták, hogy valami különleges történik a levelekben. Csak nem tudták közvetlenül megfigyelni. A reakciók túl gyorsak voltak, túl bonyolultak, és túl sok minden zajlott egyszerre. Olyan volt, mintha egy kolibri szárnyát próbálnád lefényképezni egy régi gumiszkkennyal.

Egészen mostanáig.

Egy kutatócsapat a Pacific Northwest National Laboratoryból, a SLAC National Accelerator Laboratory és több egyetem közreműködésével, végre sikeresen "lefényképezte" ezt a villámgyors energiaátadást. Az eredmények a Nature Communications-ben jelentek meg. Ez az a fajta pillanat, amire majd visszatekintve azt mondjuk: igen, ez nagyon fontos volt.

Mi történik valójában?

A folyamat középpontjában a proton-kapcsolt elektrontranszfer áll, vagyis a PCET — mert a tudósok imádják az rövidítéseket.

Biztos hallottál már az elektronokról. Ezek a parányi, negatív töltésű részecskék cikáznak az atomok körül. És a protonokról is, amelyek a magban ülnek, pozitív töltéssel. Nos, bizonyos kémiai reakciókban az elektronok és protonok együtt, összehangoltan mozognak. És amikor ez megvan, történik valami varázslatos: a reakció hihetetlenül hatékony lesz. Nincs pazarlás, nincs felesleges kerülőút.

A növények ezt használják a fotoszintézisnél. Az emberi sejtek is hasonló folyamatokat alkalmaznak, amikor az ételt használható energiává alakítják. A természet így csinál többet kevesebbel. És ez valami, amit mi is megtanulhatnánk tőle.

A legjobb rész: amikor az elektronok és protonok együtt mozognak, bizonyos köztes lépések kiiktatódnak. Gondolj úgy rá, mint egy közvetlen járatra a három átszállás helyett. Ugyanoda érkezel, de sokkal kevesebb macerával.

Miért nem láttuk eddig?

Jó kérdés. Ha ennyire fontos, miért nem fedezték fel korábban?

A válasz: sebesség és komplexitás. Az elektronok brutálisan gyorsan mozognak. A protonok majdnem olyan gyorsan. És itt jön a lényeg: a reakciót végző molekulákat körülvevő vízmolekulák is folyamatosan mozognak és átrendeződnek. Nem egyetlen dolog történik — több dolog történik egyszerre, elképzelhetetlenül rövid időskálákon.

A korábbi kísérletek csak részleteket tudtak megfigyelni. Néhány technika az elektronokat követte. Mások a protonokat. De mindkettőt egyszerre, miközben a vízkörnyezetet is nézzük? Ez olyan volt, mintha egy zenekart próbálnál vezényelni, miközben mindenki más zenét játszik.

Egészen mostanáig.

A titkos fegyver: szupergyors röntgensugarak

A kutatócsapat a SLAC Linac Coherent Light Source nevű berendezését használta. Ez a létesítmény olyan intenzív és precízen időzített röntgensugarakat állít elő, hogy a tudósok gyakorlatag molekuláris pillanatfelvételeket készíthetnek a reakciókról, ahogy azok történnek.

Ehhez jött még a fejlett kvantumkémiai számítások és molekuláris dinamikai szimulációk használata. Ez volt az a tudományos megfelelője, mintha végre sikerült volna elkészíteni azt a tökéletes akcióképet.

Mit találtak? Először sikerült strukturális érzékenységgel megmutatni, hogyan változik egy molekula elektronszerkezete, amikor protont vesz fel, miközben a körülötte lévő vízmolekulák is átrendeződnek. A teljes kép, nem csak töredékek.

Egyetlen mondatban: a kutatók elkapták, hogyan kapcsolódnak az elektronikus változások a protonátadáshoz, és hogyan reagál a környezet.

Miért számít ez neked?

Remek kérdés. A puszta "hűha, a tudomány menő" faktoron túl van néhány gyakorlati ok is az izgalomra.

Ha megértjük, hogyan mozgatja a természet ilyen hatékonyan az energiát, az segíthet jobb katalizátorok tervezésében, hatékonyabb üzemanyagcellák építésében, fejlettebb áramló akkumulátorok létrehozásában. Potenciálisan a megújuló energia tárolása válhat praktikusabbá, vagy olyan ipari folyamatok jöhetnek létre, amelyek kevesebb energiát pazarolnak.

Ez nem fogja megoldani a klímaválságot jövő kedden. De az a fajta alapvető tudomány ez, amelyből végül azok a áttörések születnek, amelyekre olyannyira szükségünk van.

A növények milliárd éve rájöttek erre. Mi végre kezdjük utolérni őket.

Forrás: ScienceDaily