Международная группа физиков, химиков и биологов, возглавляемая Кембриджским университетом, смогла изучить фотосинтез - процесс, посредством которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечный свет в энергию - в живых клетках со сверхбыстрой скоростью: миллионная доля миллионной доли секунды.

Несмотря на то, что это один из самых известных и хорошо изученных процессов на Земле, исследователи обнаружили, что фотосинтезу все еще есть о чем рассказать. Используя сверхбыстрые спектроскопические методы для изучения движения энергии, исследователи обнаружили, что химические вещества, которые могут извлекать электроны из молекулярных структур, ответственных за фотосинтез, делают это на начальных стадиях, а не намного позже, как считалось ранее. Такая "перестройка" фотосинтеза могла бы улучшить способы, с помощью которых он справляется с избытком энергии, и создать новые и более эффективные способы использования его энергии. Результаты опубликованы в журнале Природа.

"Мы знали о фотосинтезе не так много, как думали, и новый путь переноса электронов, который мы обнаружили здесь, совершенно неожиданный", - сказала доктор Дженни Чжан из химического факультета Юсуфа Хамида в Кембридже, которая координировала исследование.

Хотя фотосинтез является естественным процессом, ученые также изучают, как его можно было бы использовать для борьбы с климатическим кризисом, имитируя процессы фотосинтеза, например, для получения чистого топлива из солнечного света и воды.

Чжан и ее коллеги изначально пытались понять, почему кольцевидная молекула, называемая хиноном, способна "красть" электроны при фотосинтезе. Хиноны распространены в природе, и они могут легко принимать и отдавать электроны. Исследователи использовали метод, называемый сверхбыстрой спектроскопией переходного поглощения, чтобы изучить, как ведут себя хиноны в фотосинтезирующих цианобактериях.

"Никто должным образом не изучил, как эта молекула взаимодействует с фотосинтетическими механизмами на такой ранней стадии фотосинтеза: мы думали, что просто используем новую технику, чтобы подтвердить то, что мы уже знали", - сказал Чжан. "Вместо этого мы нашли совершенно новый путь и немного приоткрыли черный ящик фотосинтеза".

Используя сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за электронами, исследователи обнаружили, что белковый каркас, в котором происходят начальные химические реакции фотосинтеза, является "негерметичным", позволяя электронам улетучиваться. Такая негерметичность может помочь растениям защитить себя от повреждений, вызванных ярким или быстро меняющимся освещением.

"Физика фотосинтеза действительно впечатляет, - говорит соавтор исследования Томи Байки из Кавендишской лаборатории Кембриджа. - Обычно мы работаем с высокоупорядоченными материалами, но наблюдение за переносом заряда через клетки открывает замечательные возможности для новых открытий о том, как работает природа".

"Поскольку электроны, образующиеся в результате фотосинтеза, рассеяны по всей системе, это означает, что мы можем получить к ним доступ", - сказала соавтор исследования доктор Лаура Вей, которая выполняла работу на кафедре биохимии и сейчас базируется в Университете Турку, Финляндия. "Тот факт, что мы не знали о существовании этого пути, является захватывающим, потому что мы могли бы использовать его для получения большего количества энергии для возобновляемых источников".

Исследователи говорят, что возможность извлекать заряды на более ранней стадии процесса фотосинтеза может сделать процесс более эффективным при манипулировании путями фотосинтеза для получения чистого топлива из Солнца. Кроме того, способность регулировать фотосинтез может означать, что сельскохозяйственные культуры смогут лучше переносить интенсивный солнечный свет.

"Многие ученые пытались извлечь электроны с более ранней стадии фотосинтеза, но говорили, что это невозможно, потому что энергия настолько скрыта в белковом каркасе", - сказал Чжан. "Тот факт, что мы можем украсть их на более раннем этапе, просто ошеломляет. Сначала мы подумали, что совершили ошибку: нам потребовалось некоторое время, чтобы убедить себя в том, что мы это сделали".

Ключом к открытию стало использование сверхбыстрой спектроскопии, которая позволила исследователям следить за потоком энергии в живых фотосинтезирующих клетках в фемтосекундном масштабе - тысячной триллионной доли секунды.

"Использование этих сверхбыстрых методов позволило нам больше понять о ранних процессах фотосинтеза, от которых зависит жизнь на Земле", - сказал соавтор исследования профессор Кристофер Хоу с кафедры биохимии.

Исследование было частично поддержано Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), Исследовательским советом по биотехнологиям и биологическим наукам (BBSRC), входящим в состав UKRI (UKRI Research and Innovation), а также Программой Winton по физике устойчивого развития Кембриджского университета, Кембриджским содружеством, Европейским и международным Доверие и программа исследований и инноваций Европейского союза "Горизонт 2020". Дженни Чжан - стипендиат Дэвида Филлипса на химическом факультете имени Юсуфа Хамида и стипендиат колледжа Корпус-Кристи в Кембридже. Томи Байки - научный сотрудник по нанотехнологиям в Кавендишской лаборатории. Лаура Вей - постдокторант Фонда "Ново Нордиск" в Университете Турку.