对最近发现的一种叶绿素分子的新研究可能是改进太阳能电池的关键

2020-09-21 34藻类

所有的生物都需要能量来维持生存,而这些能量是间接来自太阳的。有些生物,如植物、蓝藻和藻类,能够通过一种称为“光合作用”的过程将光能直接转化为化学能。这些光合生物含有调节光合作用的特殊结构,称为“光系统”。有两个进行光能转换反应的光系统,每一个都由许多蛋白质和色素组成。在光合色素中,叶绿素是最关键的一种,它不仅能从太阳上捕获光能,而且还参与“电子传递链”(electronic transfer chain),这是一种分子途径,光子(来自太阳光)转化为电子(用作能源)。有不同类型的叶绿素分子,每一种都有一种特殊的功能,从吸收光到将其转化为能量。此外,每个叶绿素分子吸收不同区域的光。对最近发现的一种叶绿素分子的新研究可能是改进太阳能电池的关键,人们发现了一种叫做Chl-f的新型叶绿素,但它的具体位置和功能等细节至今仍是个谜。

对最近发现的一种叶绿素分子的新研究可能是改进太阳能电池的关键

在《自然通讯》上发表的一项新研究中,由日本东京科学大学的Tatsuya Tomo教授领导的研究小组,包括冈山大学、筑波大学、神户大学和RIKEN的合作研究人员,揭示了Chl-f的位置和功能的新细节,他们希望深入了解光合作用的复杂过程,因为对这一过程的深入了解可能会有各种未来的应用,比如太阳能电池的开发。谈到这项研究,Tomo教授说,“光合作用的初始过程始于与光化学复合物结合的光合色素吸收光。我们分析了一种新发现的光化学复合物的结构,光系统I和Chl f在光的低能侧(远红光)具有最大吸收。此外,我们还分析了Chl-f的功能

研究内容

到目前为止,科学家们所知道的是Chl-f是“远红移”,这意味着这个分子从光谱的低端吸收远红光。Tomo教授和他的团队想要更深入地挖掘,为此,他们研究了首次发现Chl-f的藻类。通过使用低温电子显微镜等技术,他们详细分析了这种藻类中光系统的高分辨率结构,发现Chl-f位于光系统I(两种光系统之一)的外围,但不存在于电子传递链中。他们还发现,远红光会引起光系统的结构变化,而这些变化伴随着藻类中Chl-f的合成,这使他们得出结论:Chl-f导致了光系统I的这些结构变化。这是令人兴奋的,因为这一发现首次解释了Chl-f是如何工作的。Tomo教授说:“我们的发现揭示了Chl-f的出现与在远红光下诱导的光系统I基因的表达密切相关。这表明Chl-f的作用是吸收远红光,增强上坡能量传递。我们还发现光系统I的氨基酸序列发生了改变,以适应Chl-f的结构。

研究意义

对最近发现的一种叶绿素分子的新研究可能是改进太阳能电池的关键,理解光合作用的复杂性有几个重要的应用。例如,模拟人工系统中的光合作用过程是一种捕捉太阳能并将其转化为电能的优雅方法。Tomo教授阐述道:“地球上大约一半的太阳能是可见光,另一半是红外光。我们的研究提出了一种机制,它可以在较低的能谱上使用光,这是以前从未见过的。我们的研究结果显示了如何提高光合作用中能量转移的效率,进而也为人工光合作用提供了重要的见解。”

引用

Tokyo University of Science. "New study on a recently discovered chlorophyll molecule could be key to better solar cells: Scientists uncover the location and functions of a new type of chlorophyll molecule for the first time." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 January 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200115120624.htm.

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