Как природа осуществляет наноразмерный контроль за солнечной энергией

Начало природного процесса захвата солнечной энергии происходит в абсорбирующих свет протеиновых комплексах, называемых фотосинтетическими реакционными центрами (РЦ). Даже после миллиардов лет эволюции Природа и не думает отказываться от находящегося в центре РЦ абсорбирующего свет гексамерного кофактора, нужного для проведения самой первой химической реакции фотосинтеза — индуцированного светом электронного трансфера на расстояние, примерно равное 3 нм. Этот процесс является прямой аналогией разделения зарядов под действием света в фотоэлектрических ячейках.

Научная группа, состоящая из сотрудников Аргоннской национальной лаборатории и Университета Нотр-Дам (оба — США), провела серию экспериментов, с тем чтобы понять, каким именно образом осуществляется начальный этап фотосинтеза. Применяя поляризационную ультрабыструю селективную спектроскопию на РЦ-монокристаллах,

учёным удалось выделить фотохимический процесс, специфичный только для центрального кофактора, и, исходя из этого, идентифицировать нанометровый делокализованный характер созданных светом первых возбуждённых состояний.

Рис. 1. Схема гексамерного центрального кофактора бактерии. Спектры транзиентной абсорбции получены после селективного возбуждения пары молекул «Р». (Иллюстрация Argonne National Laboratory).

До сих пор постоянные перекрытия спектральных характеристик кофакторов не позволяли нам получать ясную картину спектрального и временнóго откликов для каждого кофактора в отдельности при абсорбции фотона, что сильно ограничивало наше понимание сложной фотохимической функции в РЦ.

С применением ультрабыстрых спектрометров с транзиентной абсорбцией индивидуальные кофакторы в монокристаллах РЦ изучались посредством точной ориентации поляризации импульсов накачки и регистрации по кристаллографическим осям монокристалла.

В итоге исследователям удалось получить более чистую, более детализированную картину первых шагов процесса конверсии фотосинтетической энергии.

Так была идентифицирована роль делокализованных возбуждённых состояний и заложена основа нового подхода к постановке эксперимента и анализу полученных данных в случае изучения необычной эффективности светосберегающего процесса и процесса разделения зарядов в природном фотосинтезе.