Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να κατανοήσουν γιατί η φωτοσύνθεση, η διαδικασία που συντηρεί τη ζωή στη Γη, δεν ακολουθεί και τους δύο θεωρητικά διαθέσιμους δρόμους για τη μεταφορά ενέργειας. Η απάντηση ήρθε τελικά από μια συνεργασία μεταξύ του Ινδικού Ινστιτούτου Επιστημών (IISc) και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), δίνοντας λύση σε ένα επιστημονικό αίνιγμα δεκαετιών.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στα Proceedings of the National Academy of Sciences, αποκαλύπτει ότι ο λόγος που η ενέργεια ρέει μόνο από τον έναν «κλάδο» του φωτοσυνθετικού μηχανισμού είναι η ύπαρξη ενός πολύ υψηλότερου ενεργειακού φράγματος στον άλλον. Με άλλα λόγια, η φύση έχει σχεδιάσει έναν δρόμο όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται με ευκολία, ενώ ο δεύτερος παραμένει ενεργειακά «απαγορευμένος».
Η φωτοσύνθεση ξεκινά από το λεγόμενο Σύμπλεγμα Φωτοσυστήματος II (PSII), μια πρωτεϊνική-χρωστική δομή που απορροφά το ηλιακό φως και διασπά τα μόρια νερού, απελευθερώνοντας οξυγόνο και μεταφέροντας ηλεκτρόνια για την παραγωγή ενέργειας. Το PSII διαθέτει δύο σχεδόν όμοιους κλάδους, D1 και D2, που περιβάλλονται από μόρια χλωροφύλλης και φαιοφυτίνης. Θεωρητικά, και οι δύο θα έπρεπε να μεταφέρουν ηλεκτρόνια με τον ίδιο τρόπο. Στην πράξη όμως, μόνο ο D1 είναι λειτουργικός — ένα γεγονός που μπέρδευε τη διεθνή επιστημονική κοινότητα επί χρόνια.
«Παρότι η δομή φαίνεται συμμετρική, μόνο ο κλάδος D1 ενεργοποιείται», εξηγεί ο ερευνητής Aditya Kumar Mandal από το IISc. Για να κατανοήσουν το φαινόμενο, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγμένες προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, κβαντικής μηχανικής και τη θεωρία του Marcus — ένα βραβευμένο με Νόμπελ μοντέλο για τη μεταφορά ηλεκτρονίων.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ενεργειακό εμπόδιο στον κλάδο D2 είναι διπλάσιο σε σχέση με τον D1. Συγκεκριμένα, η μεταφορά ηλεκτρονίων από τη φαιοφυτίνη στην πλαστοκινόνη στον D2 απαιτεί πολύ περισσότερη ενέργεια, κάτι που καθιστά τη διαδικασία ουσιαστικά ανέφικτη. Οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι η αντίσταση στη ροή ηλεκτρονίων στον D2 είναι εκατό φορές μεγαλύτερη από ό,τι στον D1.
Η ασυμμετρία αυτή συνδέεται, σύμφωνα με την ομάδα, με μικρές αλλά κρίσιμες διαφορές στο περιβάλλον των πρωτεϊνών που περιβάλλουν τα μόρια χρωστικής. Για παράδειγμα, το χλωροφύλλο του D1 έχει χαμηλότερη ενέργεια διέγερσης, γεγονός που διευκολύνει την προσέλκυση και μεταφορά ηλεκτρονίων. Η ίδια η φύση, δηλαδή, έχει σχεδιάσει το ενεργειακό τοπίο με τέτοια ακρίβεια, ώστε να εξασφαλίζει τη μέγιστη απόδοση του φωτός.
Η έρευνα ανοίγει νέους δρόμους για τη δημιουργία τεχνητών φωτοσυνθετικών συστημάτων, ικανών να μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χημικά καύσιμα, μιμούμενα τον μηχανισμό των φυτών. Οι επιστήμονες εκτιμούν μάλιστα ότι μελλοντικές παρεμβάσεις —όπως η αντικατάσταση συγκεκριμένων μορίων στον κλάδο D2— θα μπορούσαν να «ξεμπλοκάρουν» τη ροή ηλεκτρονίων και να επιτρέψουν νέα επίπεδα ενεργειακής αξιοποίησης.
«Η μελέτη μας φέρνει ένα μεγάλο βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η φύση διαχειρίζεται την ενέργεια με τέτοια ακρίβεια», δηλώνει ο Prabal K. Maiti, καθηγητής στο IISc και ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας. Από την πλευρά του, ο καθηγητής Bill Goddard του Caltech χαρακτηρίζει τη δουλειά «ένα όμορφο συνδυασμό θεωρίας και προσομοίωσης που αποκαλύπτει νέα επίπεδα κατανόησης – και νέα μυστήρια που περιμένουν να λυθούν».
