Китайские ученые выяснили, что минерал бирнессит может использовать энергию света для химических реакций. Кроме того, он структурно похож на лежащий в основе современных фотосинтезирующих систем комплекс. Исследование опубликовано в журнале Earth Science Frontiers.
Фотосинтез сыграл важнейшую роль в развитии жизни и атмосферы на нашей планете. Это процесс, с помощью которого растения превращают солнечный свет в химическую энергию с выделением кислорода. Хотя сегодня ученым понятна большая часть тонкостей фотосинтеза, дискуссионным остается вопрос о его возникновении.
Ученые из Пекинского университета углубились в эволюцию фотосинтеза. Они обратились к так называемой «минеральной мембране» Земли. Исследователи предположили, что некоторые вещества, составляющие ее, могут поглощать энергию солнечного света и использовать ее для химических реакций. В качестве таких минералов ученые рассмотрели бирнессит, гетит и гематит. Эти полупроводниковые вещества чувствительны к определенной длине волны солнечного света. Когда они поглощают фотоны, электроны в состояниях с более низкой энергией возбуждаются и переходят в состояния с более высокой энергией. Получаемые таким образом фотоэлектроны обладают достаточной энергий для запуска реакций восстановления, которые в другом случае требовали бы внешней энергии.
Такой неклассический механизм фотосинтеза может катализировать реакции, аналогичные реакциям биологического фотосинтеза, которые происходят у цианобактерий. Например, некоторые минералы могут выделять кислород, образовывая молекулы двуокиси кислорода, и захватывать углерод, образовывая органические соединения с использованием атомов углерода из неорганических источников. Эти минералы могут действовать и как фотокатализаторы для расщепления воды и превращения атмосферного углекислого газа в морские карбонатные продукты. Ученые отмечают, что данные вещества могли сыграть важную роль в изменении атмосферных и морских условий на ранней Земле, поспособствовав появлению и эволюции первых форм жизни.
Ученые отметили, что наиболее важным открытием стало то, что бирнессит структурно похож на комплекс, который лежит в основе фотосинтезирующих систем современных организмов. Mn4CaO5, марганецсодержащее соединение, которое расщепляет воду при поглощении солнечного света, могло возникнуть как аналог бирнессита. «Наша работа в этой новой области исследований механизмов взаимодействия между светом, минералами и жизнью показывает, что минералы и организмы фактически неразделимы», — подчеркнул ведущий автор исследования, Аньхуай Лу из Пекинского университета. Авторы работы предполагают, что изначально примитивные бактерии зависели от минералов, подобных бирнесситу, с помощью которого они преобразовывали солнечный свет в полезную энергию. А с течением времени они начали встраивать структурные аналоги таких минералов в свои клеточные тела.
Ученые отмечают, что лучшее понимание неклассического фотосинтеза поможет разгадать тайны эволюции жизни и химического состава нашей планеты. Также это поспособствует разработке новых эффективных способов сбора солнечной энергии. «Мы можем использовать минеральный фотокатализ, чтобы способствовать расщеплению воды, тем самым повышая эффективность систем биофотосинтеза. Это может привести к революционным технологиям», — рассказал Аньхуай Лу.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
