اكتشف العلماء عن طريق الخطأ أن التمثيل الضوئي لا يعمل تمامًا كما كنا نظن أنه يعمل

اكتشف العلماء بالصدفة أن إحدى أكثر العمليات الكيميائية المدروسة جيدًا في الطبيعة ، وهي عملية التمثيل الضوئي ، قد لا تعمل تمامًا كما اعتقدنا.
البناء الضوئي هي العملية التي تقوم بها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أكسجين وسكريات لاستخدامها كطاقة. للقيام بذلك ، تستخدم الكائنات الحية ضوء الشمس لأكسدة الماء أو أخذ الإلكترونات منه ؛ وتقليل جزيئات ثاني أكسيد الكربون أو إعطائها الإلكترونات. تتطلب هذه التفاعلات الكيميائية أنظمة ضوئية – مجمعات بروتينية تحتوي على الكلوروفيل ، وهو صبغة تمتص الضوء وتعطي أوراق النبات والطحالب لونها الأخضر – لنقل الإلكترونات بين الجزيئات المختلفة.
في الدراسة الجديدة التي نشرت في 22 مارس في المجلة طبيعة (يفتح في علامة تبويب جديدة)، استخدم الباحثون تقنية جديدة ، تُعرف باسم التحليل الطيفي للامتصاص العابر فائق السرعة ، لدراسة كيفية عمل التمثيل الضوئي في نطاق زمني واحد كوادريليون من الثانية (0.000000000000001 ثانية) لأول مرة. كان الفريق يحاول في البداية اكتشاف كيفية تأثير الكينونات – وهي جزيئات على شكل حلقة يمكنها سرقة الإلكترونات أثناء العمليات الكيميائية – على عملية التمثيل الضوئي. لكن بدلاً من ذلك ، وجد الباحثون أنه يمكن إطلاق الإلكترونات من الأنظمة الضوئية في وقت مبكر جدًا أثناء عملية التمثيل الضوئي مما كان يعتقد العلماء سابقًا أنه ممكن.
“كنا نظن أننا نستخدم تقنية جديدة لتأكيد ما نعرفه بالفعل” ، هذا ما قاله مؤلف مشارك في الدراسة جيني تشانغ (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم الكيمياء الحيوية المتخصص في التمثيل الضوئي بجامعة كامبريدج في إنجلترا ، قال في أ إفادة (يفتح في علامة تبويب جديدة). “بدلاً من ذلك ، وجدنا مسارًا جديدًا تمامًا ، وفتحنا الصندوق الأسود لعملية التمثيل الضوئي قليلاً.”
متعلق ب: تعتبر عملية التمثيل الضوئي الجديدة “الاصطناعية” أكثر كفاءة بمقدار 10 مرات من المحاولات السابقة
يتم استخدام نظامين ضوئيين أثناء عملية التمثيل الضوئي: نظام ضوئي I (PSI) ونظام ضوئي II (PSII). يوفر PSII الإلكترونات إلى PSI بشكل أساسي عن طريق أخذها من جزيئات الماء: ثم يقوم PSI بإثارة الإلكترونات قبل إطلاقها ليتم إعطاؤها في النهاية لثاني أكسيد الكربون لتكوين السكريات ، عبر سلسلة من الخطوات المعقدة.
أشارت الأبحاث السابقة إلى أن سقالات البروتين في PSI و PSII كانت سميكة للغاية ، مما ساعد على احتواء الإلكترونات بداخلها قبل أن يتم نقلها إلى المكان المطلوب. لكن تقنية التحليل الطيفي فائق السرعة كشفت أن سقالات البروتين كانت “أكثر تسريبًا” مما كان متوقعًا وأن بعض الإلكترونات يمكن أن تهرب من الأنظمة الضوئية فورًا تقريبًا بعد امتصاص الضوء بواسطة الكلوروفيل داخل الأنظمة الضوئية. وبالتالي يمكن أن تصل هذه الإلكترونات إلى وجهتها بشكل أسرع مما كان متوقعًا.
قال تشانغ: “إن مسار نقل الإلكترون الجديد الذي وجدناه هنا مثير للدهشة تمامًا”. “لم نكن نعرف الكثير عن التمثيل الضوئي كما كنا نظن أننا نعرفه.”
لوحظ تسريب الإلكترون في كل من أنظمة ضوئية معزولة وداخل أنظمة ضوئية “حية” داخل البكتيريا الزرقاء.
بالإضافة إلى إعادة كتابة ما نعرفه عن التمثيل الضوئي ، يفتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة للبحث في المستقبل وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية. يعتقد الفريق أنه من خلال “اختراق” عملية التمثيل الضوئي لإطلاق المزيد من هذه الإلكترونات في مراحل مبكرة ، يمكن أن تصبح العملية أكثر كفاءة ، مما قد يساعد في إنتاج نباتات أكثر مقاومة لأشعة الشمس أو يمكن تكرارها بشكل مصطنع لإنشاء مصادر طاقة متجددة للمساعدة في مكافحة تغير المناخ بحسب البيان. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث قبل أن يحدث هذا.
قال تشانغ: “حاول العديد من العلماء استخلاص الإلكترونات من نقطة سابقة في عملية التمثيل الضوئي ، لكنهم قالوا إن ذلك غير ممكن لأن الطاقة مدفونة في سقالة البروتين”. “حقيقة أننا نستطيع [potentially] سرقتها في عملية سابقة أمر مذهل “.