يتم الكشف عن أسرار عملية التمثيل الضوئي بمساعدة طريقة الليزر الحديثة

وقد تم مؤخراً الحصول على صور مباشرة، توضح كيفية تحرك طاقة الشمس داخل النباتات، ولأول مرة من قبل باحثين من جامعة إمبريال كوليدج لندن

وتم الحصول على صور مباشرة، توضح كيفية تحرك طاقة الشمس داخل النباتات، لأول مرة منذ وقت ليس ببعيد، وفقا لدراسة نشرت في أوائل فبراير في المجلة العلمية Physical Review Letters.

وكشفت الصور عن الآلية الداخلية لعملية استقبال الطاقة الشمسية الأكثر كفاءة في الطبيعة، وهي عملية التمثيل الضوئي. وفي بروتينات نظام التمثيل الضوئي، يتم استغلال طاقة الشمس بكفاءة من خلال الخلايا المختلفة لتنشيط تفاعل كيميائي يخزن الطاقة كغذاء (سكريات) ويستخدم ثاني أكسيد الكربون لهذا الغرض. يهتم العديد من العلماء بشدة بتسخير هذه العملية في بحثهم عن حلول جديدة للطاقة لتحل محل الوقود الأحفوري. لهذا، يحتاجون إلى فهم عملية تمرير هذه الطاقة إلى بوريو.

يعد فحص تحولات الطاقة طريقة قياس مهمة لفهم النشاط التفصيلي للأنظمة المتنوعة، من الأنظمة البيولوجية إلى محركات السيارات. ومع ذلك، في الأنظمة ذات النطاق الصغير مثل الخلايا المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي، تلعب التأثيرات الكمية دورًا وتجعل من الصعب على العلماء شرح كيفية قدرة هذه الخلايا على نقل الطاقة بمثل هذه الكفاءة العالية.

حتى الآن، كانت إحدى أخطر العقبات هي عدم وجود طريقة مباشرة لمراقبة بعض الآليات الأساسية المشاركة في نقل الطاقة بين الإلكترونات والإلكترونات.

"هذه الصور الجديدة هي صور مباشرة وفورية للطاقة المنقولة بين الإلكترونات من خلال البروتين. ومن المثير للدهشة أن الصور توفر أيضًا كشفًا عن الطريقة المعقدة التي تتفاعل بها الإلكترونات. يقول الدكتور إيان ميرسر من كلية الفيزياء بجامعة كلية دبلن، وهو المؤلف الرئيسي للورقة البحثية التي تصف هذا البحث المتطور: "يوفر لنا هذا أقرب شيء إلى بصمة اقتران الإلكترون".

وقام الباحثون بفحص عينة من البروتين الموجود في بكتيريا تسمى LH2، والتي قدمتها لهم جامعة جلاسكو. استخدم الباحثون هذا البروتين البكتيري لأنه يستخدم الإشعاع بطريقة مشابهة لما تفعله البروتينات النباتية في عملية التمثيل الضوئي. ومن خلال تشعيع العينة بنبضات ليزر عالية الطاقة، تمكن الباحثون من الحصول على خريطة لنقاط التوهج في الكاميرا في جزيئات صغيرة من الثانية. يتوافق موضع كل نقطة من هذه النقاط مع زاوية فريدة ينبعث منها الضوء من العينة، ويرتبط هذا ارتباطًا مباشرًا بتفاعل الإلكترونات مع الليزر المشعع ومع بعضها البعض.

وتوجد بالفعل طرق بديلة تعتمد على الليزر لجمع هذا النوع من المعلومات، ولكنها تتطلب تعريض العينة لإشعاع الليزر لفترة طويلة - وهي حقيقة تؤدي إلى تحلل العينة. تحتاج هذه الأساليب أيضًا إلى أنواع "أثقل" من معالجة الكمبيوتر.

احتاج الباحثون إلى ليزر قوي ومستقر للغاية حتى يعمل أسلوبهم بكفاءة ودقة. لقد وجدوا مثل هذا الليزر في مختبر رذرفورد أبليتون (RAL). يستخدم هذا الليزر تقنية متقدمة تم تطويرها في قسم الفيزياء بكلية إمبريال كوليدج لندن لاستقبال الإشعاع بالخصائص المناسبة لهذه التجربة.

"ينتج الليزر مجموعة واسعة من الألوان، مما يسمح لنا بتحديد العديد من مستويات الطاقة في البروتين. إن توفر هذا الليزر، الذي هو في متناول مجموعة واسعة من العلماء، يفتح نافذة واسعة لعلم جديد ورائع - مثل البحث الحالي، "يشرح أحد المؤلفين الآخرين للمقال.

باستخدام هذا الليزر، يمكنك الحصول على خرائط دقيقة بمساعدة نبضة واحدة من إشعاع الليزر، أي أنه يمكنك الحصول على معلومات كاملة قبل وأثناء التفاعل الكيميائي نفسه. يمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة لتوصيف العينات القيمة والحساسة لأنه لا يلزم سوى كمية صغيرة من العينة. وبفضل معدل ألف نبضة ليزر في الثانية، تتمتع هذه الطريقة بقدرة كبيرة على استخدامها في توصيف العينات بسرعة وتلقائية.

"المزيد من التطبيقات لهذه الطريقة قاب قوسين أو أدنى. نأمل أن نتمكن يومًا ما من تسخير الآليات المذهلة التي تعلمناها من الخيول لمساعدتنا، والتي تم شحذ وظائفها على مدى مئات الملايين من السنين من التطور". ويقوم الباحثون الآن بتطبيق نهجهم في مجالات العلوم البيولوجية الجزيئية والأجهزة الإلكترونية.

الخبر من الجامعة