Фотосинтезиращите бактерии се адаптират към околната среда като използват квантова механика за насочване на енергията.
Фотосинтезиращите организми събират светлина от слънцето, за да произвеждат енергията, необходима им за оцеляване. Нова статия, публикувана от изследователите от Университета в Чикаго, разкрива тяхната тайна: те използват квантовата механика.
Учените са изследвали тип микроорганизъм, наречен зелена сярна бактерия (Chlorobiaceae). Тези бактерии се нуждаят от светлина, за да оцелеят, но дори малки количества кислород могат да увредят деликатният им механизъм за фотосинтеза. Така че е трябвало да разработят начини за свеждане до минимум на щетите, когато бактерията се срещне с кислород.
За да проучат този процес, изследователите проследяват движението на енергията през фотосинтезиращия протеин при различни условия - с кислород и без него.
Те откриват, че бактерията използва квантово-механичен ефект, наречен вибронно смесване (vibronic mixing), за да придвижва енергията по два различни пътя, в зависимост от това дали има наоколо кислород.
Терминът „вибронен“ произхожда от комбинацията от термините „вибрационен“ и „електронен“, обозначаващ идеята, че в молекулата вибрационните и електронните взаимодействия са взаимосвързани и си влияят взаимно. . По същество вибрациите се смесват толкова напълно с електронните състояния, че тяхната идентичност става неразделна. Тази бактерия използва този феномен, за да насочва енергията там, където е необходимо.
Учените от Чикагския университет Джейк Хигинс и Лоусън Лойд настройват лазера в лабораторията на Грег Енгел. Кредит: Siddhartha Sohoni
Ако наоколо няма кислород и бактерията е в безопасност, бактерията използва вибронно смесване, като съчетава енергийната разлика между две електронни състояния в съвкупност от молекули и протеини, наречена FMO комплекс, с енергията на вибрацията на бактериохлорофилна молекула. Това стимулира енергията да тече по „нормалния” път към фотосинтезиращия реакционен център, пълен с хлорофил.
Но ако има наоколо кислород, организмът е еволюирал, за да насочи енергията по по-малко пряк път, където тя може да бъде потушена. Гасенето на енергия е подобно на поставянето на длан върху вибрираща китарна струна, за да се разсее енергията. По този начин бактерията губи малко енергия, но запазва системата.
За да се постигне този ефект, двойка цистеинови остатъци във фотосинтезиращия комплекс действат като спусък: Всеки от тях реагира с кислорода в околната среда, като губи протон, което нарушава вибронното смесване. Това означава, че енергията сега преференциално се движи по алтернативния път, където може безопасно да бъде угасена. Този принцип е малко като блокиране на магистрала и пренасочване на движението към местни пътища, където има много повече изходи.
Кредит: Photosynthesis tunes quantum mechanical mixing of electronic and vibrational states to steer exciton energy transfer, Jacob S. Higgins et al.
„Интересното при този резултат е, че виждаме как протеинът включва и изключва вибронното свързване в отговор на промените в околната среда в клетката“, коментир Джейк Хигинс (Jake Higgins), студент в Химическия департамент и водещ автор на статията. „Протеинът използва квантовия ефект, за да предпази организма от окислително увреждане.“
Тези открития водят до ново вълнуващо разкритие за биологията. Използването на изрично квантов механизъм за защита на системата показва важна адаптация и че квантовите ефекти могат да бъдат важни за оцеляването.
„Простотата на механизма предполага, че той може да бъде открит в други фотосинтезиращи организми в еволюционния пейзаж. Ако повече организми са в състояние динамично да модулират квантово-механични връзки в своите молекули, за да предизвикат по-големи промени във физиологията, може да има изцяло нов набор от ефекти, избрани от природата, за които все още не знаем", обяснява Хигинс.
Справка: “Photosynthesis tunes quantum mechanical mixing of electronic and vibrational states to steer exciton energy transfer” by Jacob S. Higgins, Lawson T. Lloyd, Sara H. Sohail, Marco A. Allodi, John P. Otto, Rafael G. Saer, Ryan E. Wood, Sara C. Massey, Po-Chieh Ting, Robert E. Blankenship and Gregory S. Engel, 8 March 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2018240118
Източник: Bacteria Know How to Exploit Quantum Mechanics to Steer Energy, Scitech daily
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари