Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một chiếc lá thay đổi nhanh chóng, thực vật phải tự bảo vệ mình khỏi sự gia tăng đột ngột của năng lượng mặt trời. Để đối phó với những thay đổi này, các sinh vật quang hợp đã phát triển nhiều chiến thuật. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không thể xác định nguyên tắc thiết kế cơ bản. Một nhà vật lý hiện đã xây dựng một mô hình tái tạo một đặc điểm chung của thu hoạch ánh sáng quang hợp, được quan sát trên nhiều sinh vật quang hợp.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một chiếc lá thay đổi nhanh chóng, thực vật phải tự bảo vệ mình khỏi sự gia tăng đột ngột của năng lượng mặt trời. Để đối phó với những thay đổi này, các sinh vật quang hợp – từ thực vật đến vi khuẩn – đã phát triển nhiều chiến thuật. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không thể xác định nguyên tắc thiết kế cơ bản.
Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, dẫn đầu bởi nhà vật lý Nathaniel M. Gabor tại Đại học California, Riverside, hiện đã chế tạo một mô hình tái tạo một đặc điểm chung của thu hoạch ánh sáng quang hợp, quan sát được qua nhiều sinh vật quang hợp.
Thu hoạch ánh sáng là tập hợp năng lượng mặt trời bởi các phân tử diệp lục gắn protein. Trong quang hợp – quá trình thực vật xanh và một số sinh vật khác sử dụng ánh sáng mặt trời để tổng hợp thực phẩm từ carbon dioxide và nước – thu hoạch năng lượng ánh sáng bắt đầu bằng sự hấp thụ ánh sáng mặt trời.
Mô hình của các nhà nghiên cứu mượn ý tưởng từ khoa học về các mạng phức tạp, một lĩnh vực nghiên cứu khám phá hoạt động hiệu quả trong mạng điện thoại di động, bộ não và lưới điện. Mô hình mô tả một mạng đơn giản có thể nhập ánh sáng có hai màu khác nhau nhưng tạo ra tốc độ ổn định của năng lượng mặt trời. Sự lựa chọn bất thường này chỉ có hai đầu vào có hậu quả đáng chú ý.
“Mô hình của chúng tôi cho thấy rằng bằng cách chỉ hấp thụ màu sắc rất đặc biệt của ánh sáng, các sinh vật quang hợp có thể tự động bảo vệ bản thân trước những thay đổi đột ngột – hoặc” tiếng ồn “- trong năng lượng mặt trời, dẫn đến chuyển đổi năng lượng hiệu quả rõ rệt”, Gabor, phó giáo sư vật lý và thiên văn học, người dẫn đầu nghiên cứu xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Khoa học (Science) . “Cây xanh xuất hiện vi khuẩn màu xanh lá cây và màu tím xuất hiện màu tím vì chỉ những vùng cụ thể của quang phổ mà chúng hấp thụ mới phù hợp để bảo vệ chống lại năng lượng mặt trời thay đổi nhanh chóng.”
Gabor lần đầu tiên bắt đầu nghĩ về nghiên cứu quang hợp hơn một thập kỷ trước, khi anh còn là một sinh viên tiến sĩ tại Đại học Cornell. Ông tự hỏi tại sao thực vật từ chối ánh sáng xanh, ánh sáng mặt trời dữ dội nhất. Trong nhiều năm, ông đã làm việc với các nhà vật lý và nhà sinh học trên toàn thế giới để tìm hiểu thêm về phương pháp thống kê và sinh học lượng tử của quang hợp.
Richard Cogdell, một nhà thực vật học tại Đại học Glasgow, Vương quốc Anh và là đồng tác giả của bài nghiên cứu đã khuyến khích Gabor mở rộng mô hình để bao gồm một phạm vi rộng hơn các sinh vật quang hợp phát triển trong môi trường có quang phổ mặt trời rất khác nhau.
“Thật thú vị, sau đó chúng tôi đã có thể chỉ ra rằng mô hình này hoạt động trong các sinh vật quang hợp khác ngoài thực vật xanh và mô hình đã xác định một đặc tính chung và cơ bản của thu hoạch ánh sáng quang hợp”, ông nói. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy bằng cách chọn nơi bạn hấp thụ năng lượng mặt trời liên quan đến phổ mặt trời sự cố, bạn có thể giảm thiểu tiếng ồn trên đầu ra – thông tin có thể được sử dụng để tăng cường hiệu suất của pin mặt trời.”
Đồng tác giả Rienk van Grondelle, một nhà vật lý thực nghiệm có ảnh hưởng tại Vrije Universiteit Amsterdam ở Hà Lan, người làm việc trên các quá trình quang hợp vật lý chính, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy quang phổ hấp thụ của một số hệ thống quang hợp nhất định chọn một số vùng kích thích quang phổ nhất định triệt tiêu nhiễu và tối đa hóa năng lượng lưu trữ.
Van Grondelle, người có kinh nghiệm rộng lớn với thu hoạch ánh sáng quang hợp cho biết: “Nguyên tắc thiết kế rất đơn giản này cũng có thể được áp dụng trong thiết kế pin mặt trời do con người tạo ra”.
Gabor giải thích rằng thực vật và các sinh vật quang hợp khác có nhiều chiến thuật khác nhau để ngăn ngừa thiệt hại do tiếp xúc quá nhiều với mặt trời, từ cơ chế giải phóng năng lượng phân tử đến chuyển động vật lý của lá để theo dõi mặt trời. Thực vật thậm chí đã phát triển bảo vệ hiệu quả chống lại tia UV giống như trong kem chống nắng.
Trong quá trình quang hợp phức tạp, rõ ràng việc bảo vệ sinh vật khỏi phơi nhiễm quá mức là yếu tố thúc đẩy sản xuất năng lượng thành công và đây là nguồn cảm hứng mà các nhà khoa học sử dụng để phát triển mô hình của họ. Mô hình của nhóm nghiên cứu kết hợp vật lý tương đối đơn giản, nhưng nó phù hợp với một loạt các quan sát trong sinh học. Điều này rất hiếm. Nếu mô hình của nhóm tiếp tục thử nghiệm, họ có thể tìm thấy nhiều thỏa thuận hơn giữa lý thuyết và quan sát, giúp hiểu sâu hơn về hoạt động bên trong của tự nhiên.
Để xây dựng mô hình, Gabor và các đồng nghiệp đã áp dụng vật lý mạng đơn giản vào các chi tiết phức tạp của sinh học và có thể đưa ra những tuyên bố rõ ràng, định lượng và chung chung về các sinh vật quang hợp rất đa dạng.
“Mô hình của chúng tôi là lời giải thích dựa trên giả thuyết đầu tiên về lý do tại sao thực vật có màu xanh và chúng tôi đưa ra một lộ trình để kiểm tra mô hình thông qua các thí nghiệm chi tiết hơn”, Gabor nói.
Quang hợp có thể được coi là một bồn rửa nhà bếp, nơi một vòi chảy nước vào và cống cho phép nước chảy ra. Nếu dòng chảy vào bồn lớn hơn nhiều so với dòng chảy ra ngoài, thì bồn rửa tràn ra và nước tràn ra khắp sàn nhà.
Trong quang hợp, nếu dòng năng lượng mặt trời vào mạng lưới thu hoạch ánh sáng lớn hơn đáng kể so với dòng chảy ra ngoài, mạng lưới quang hợp phải thích ứng để giảm dòng năng lượng quá mức đột ngột. Khi mạng không thể quản lý các biến động này, sinh vật cố gắng trục xuất năng lượng bổ sung. Khi làm như vậy, sinh vật trải qua căng thẳng oxy hóa, gây tổn hại cho các tế bào.
Các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên bởi mô hình của họ nói chung và đơn giản.
“Thiên nhiên sẽ luôn làm bạn ngạc nhiên”, Gabor nói thêm. “Một cái gì đó có vẻ phức tạp và phức tạp có thể hoạt động dựa trên một số quy tắc cơ bản. Chúng tôi đã áp dụng mô hình cho các sinh vật trong các hốc quang hợp khác nhau và tiếp tục tái tạo phổ hấp thụ chính xác. Trong sinh học, có rất nhiều trường hợp ngoại lệ. một quy tắc thường rất khó khăn. Đáng ngạc nhiên, dường như chúng ta đã tìm thấy một trong những quy tắc của cuộc sống quang hợp. “
Gabor lưu ý rằng trong nhiều thập kỷ qua, nghiên cứu quang hợp đã tập trung chủ yếu vào cấu trúc và chức năng của các thành phần hiển vi của quá trình quang hợp.
Các nhà sinh học biết rõ rằng các hệ thống sinh học thường không được điều chỉnh một cách tinh vi do thực tế là các sinh vật có ít sự kiểm soát đối với các điều kiện bên ngoài của chúng. Mâu thuẫn này cho đến nay vẫn chưa được giải quyết vì không có mô hình nào tồn tại kết nối các quá trình vi mô với các đặc tính vĩ mô. Công trình của các nhà khoa học đại diện cho mô hình vật lý định lượng đầu tiên giải quyết mâu thuẫn này.
Tiếp theo, được hỗ trợ bởi một số khoản tài trợ gần đây, các nhà nghiên cứu sẽ thiết kế một kỹ thuật kính hiển vi mới để kiểm tra ý tưởng của họ và cải tiến công nghệ thí nghiệm sinh học ảnh bằng các công cụ quang học lượng tử.
Có rất nhiều điều ngoài kia để hiểu về thiên nhiên, và nó chỉ đẹp hơn khi chúng ta làm sáng tỏ những bí ẩn của nó.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Riverside . Bản gốc được viết bởi Iqbal Pittalwala. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :