Ученые впервые ясно видят весь процесс «энергетического реле», мгновенно раскрывая тайну основной реакции фотосинтеза.

📅 2026-09-29

Аннотация:

Основная химическая реакция, поддерживающая фотосинтез, обмен веществ и многочисленные процессы преобразования энергии, недавно была полностью зафиксирована учеными с беспрецедентной точностью. Впервые исследователи одновременно наблюдали изменения в электронной структуре внутри молекулы и процесс реорганизации окружающей ее молекулярной сети, что открывает новый взгляд на понимание ключевых механизмов реакций в жизненных и энергетических системах.

Это исследование было выполнено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией в США, Стэнфордским центром линейных ускорителей и рядом научно-исследовательских институтов. Результаты исследований показывают, что когда происходит важная реакция переноса энергии, молекулы, участвующие в реакции, и окружающая среда растворителя не изменяются независимо, а эволюционируют вместе, в тесной взаимосвязи.

Объектом исследования является процесс под названием «протон-связанный электронный перенос» (ПКЭТ). В этой реакции положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны движутся одновременно, завершая передачу энергии. Многочисленные ключевые биохимические процессы в природе основаны на этом механизме, включая использование растениями солнечного света для фотосинтеза и метаболические процессы, посредством которых организмы преобразуют пищу в энергию.

Ученые утверждают, что скоординированное движение протонов и электронов может помочь молекулам обойти некоторые энергозатратные промежуточные этапы, тем самым делая химические реакции быстрее и эффективнее. Помимо жизнедеятельности, подобные механизмы также широко встречаются в энергетических технологиях, таких как катализаторы, топливные элементы и проточные батареи.

Однако эту реакцию долгое время было трудно наблюдать непосредственно.

Электроны движутся очень быстро, а протоны движутся с очень похожими скоростями. В то же время сеть молекул воды вокруг реагирующих молекул будет продолжать реорганизоваться в течение того же чрезвычайно короткого времени. Прошлые эксперименты смогли уловить некоторые из этих процессов, но не смогли одновременно зафиксировать связь между изменениями в электронах и изменениями в среде растворителя.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала лазерное устройство на свободных электронах Linac Coherent Light Source в Стэнфордском центре линейных ускорителей в США, чтобы наблюдать весь процесс реакции с помощью двух взаимодополняющих сверхбыстрых рентгеновских технологий.

В ходе эксперимента исследователи сначала использовали свет для возбуждения особой молекулярной системы, а затем непрерывно использовали рентгеновские лучи, чтобы за очень короткое время обнаружить ее структурные изменения. В то же время исследовательская группа также объединила квантово-химические расчеты и молекулярно-динамическое моделирование для анализа и реконструкции экспериментальных данных.

Окончательные результаты показывают, что когда молекула приобретает протон, ее внутреннее распределение электронов значительно изменится в определенных положениях, и окружающая сеть молекул воды, которые изначально были стабильно расположены, также будет реорганизована одновременно. Другими словами, изменения в самих молекулах происходят одновременно с изменениями в окружающей среде, а не независимо друг от друга.

Элиза Биасин, один из руководителей проекта, рассказала, что впервые ученые непосредственно наблюдали, как изменения в электронной структуре, связанные с переносом протона, сочетаются с реорганизацией окружающей среды растворителя. Этот результат открывает новый метод исследования для понимания того, как молекулы и окружающая среда эволюционируют совместно.

Чтобы упростить анализ, исследовательская группа выбрала в качестве объекта исследования светочувствительную молекулярную систему с рутением в качестве ядра. Эта система может разделять перенос электронов, перенос протонов и изменения водной среды, чтобы избежать помех, вызванных сложными химическими процессами.

Хотя эксперимент не может напрямую уловить траекторию движения самого протона, исследователи все же могут реконструировать весь процесс реакции посредством изменений в электронной структуре и окружающем атомном расположении.

Исследователи полагают, что этот результат не только поможет объяснить механизм преобразования энергии в природе, но также может способствовать развитию энергетических технологий следующего поколения. Получив более глубокое понимание того, как протоны и электроны передаются вместе, ученые смогут в будущем разработать более эффективные катализаторы, топливные элементы и системы хранения энергии.

С постепенным вводом в эксплуатацию нового поколения лазеров на свободных электронах LCLS-II исследовательская группа ожидает, что в будущем сможет наблюдать более сложные процессы химических реакций с более высоким временным разрешением и даже напрямую изучать ключевые этапы передачи энергии в реальных системах фотосинтеза.

Инсайдеры отрасли отметили, что значение этого достижения заключается не только в наблюдении конкретной реакции, но и в создании нового метода наблюдения. В прошлом ученые обычно могли изучать только электронные изменения или изменения молекулярной структуры отдельно, но теперь они могут одновременно наблюдать коэволюцию реакционного центра и окружающей среды, что открывает новое окно для будущих исследований жизненных процессов и механизмов преобразования энергии.

Связанные теги

Похожие статьи

Китайская команда разработала устройство для крышки мусорного бака, работающее на солнечной энергии, которое использует солнечный свет для разложения пахучих веществ и работает непрерывно более 40 дней. 2026-10-19 Недавно разработанный специальный кристаллический материал использует солнечный свет для преобразования воды в чистый водород. 2026-10-11 Ученые открывают новый путь передачи водорода для конверсии углекислого газа, что потенциально повышает эффективность производства метанола 2026-10-11 Ученые преодолели ключевую проблему стабильности: небольшой и недорогой лазер на свободных электронах делает важный шаг 2026-10-07 Европейский XFEL установил новый рекорд интенсивности импульса жесткого рентгеновского излучения: вспышка всего в 300 аттосекунд открывает мир электроники 2026-10-19 Был заново открыт рабочий механизм катализатора. Сокрытие атомной структуры может сократить количество используемого никеля в десять раз. 2026-09-15

Комментарии

0/500
Captcha (click to refresh)
Нет комментариев