Bagaimanakah tumbuhan melindungi diri daripada selaran matahari?

Pensuisan ultra cepat menghalang "membakar" sistem fotografi

Klorofil (atas) dan molekul karotenoid (bawah) sementara bersatu kuantum secara mekanikal dan secara kolektif menghilangkan tenaga berlebihan supaya tidak terlalu banyak mencapai pusat tindak balas. © TU Braunschweig
membaca dengan kuat

Bukan sahaja kebanyakan orang - malah tumbuh-tumbuhan perlu melindungi diri mereka daripada radiasi matahari yang terlalu banyak. Pusat tindak balas fotosintesis anda berfungsi dengan sangat baik sehingga matahari "terlalu banyak" akan membuat sistem terbakar. Bagaimana tumbuhan melindungi diri mereka sekarang telah ditemui oleh pasukan penyelidikan. Seperti yang dilaporkan dalam jurnal "Prosiding Akademi Kebangsaan Sains" (PNAS), mekanisme canggih boleh dimanfaatkan, antara lain untuk sistem fotovoltaik.

Dalam pusat tindak balas yang dipanggil tumbuhan, sifat mencipta sesuatu yang menakjubkan: setiap kuantum cahaya atau foton yang ditangkap oleh klorofil pigmen tumbuhan hijau hampir 100 peratus digunakan untuk pemisahan caj elektrik. Tenaga elektrik ini kemudian digunakan untuk memandu semua proses biologi yang lain. Kerana kecekapan yang tinggi, sistem hanya memerlukan sedikit cahaya. Bagaimanapun, sinaran matahari boleh menjadi seribu kali lebih kuat dalam beberapa saat, contohnya ketika awan pecah atau donor bayangan hilang. Oleh itu, seribu kali lebih banyak tenaga perlu ditukar di pusat tindak balas.

Tukar suis untuk kilang tenaga hijau

"Itulah seolah-olah sebuah enjin kereta tiba-tiba terpaksa membuat tiga juta tiga belokan bukannya tiga ribu. Tiada peralatan yang boleh mengatasi masalah ini, "jelas Profesor Peter Jomo Walla dari Institut Kimia Teoritis dan Fizikal Universiti Teknik Braunschweig. Beliau telah mengkaji dengan rakan-rakannya bagaimana tumbuhan berjaya beralih dengan cepat dan berkesan dalam keadaan sedemikian. Anda perlu cepat menyingkirkan tenaga yang berlebihan untuk menyelamatkan sistem fotografi anda daripada terbakar. Bagaimana ini berlaku secara terperinci tidak diketahui selama beberapa dekad dan telah menjadi subjek penyelidikan yang sengit.

Laser melihat di dalam kilang hidup

"Hanya sejak penciptaan laser ultra-pendek masa telah memungkinkan untuk memerhatikan langkah-langkah yang sangat cepat dan asas sama sekali, " jelas Walla. Kumpulan penyelidikannya mempunyai beberapa laser ultra-pendek masa yang menghasilkan kilatan hanya beberapa femtoseconds dalam tempoh untuk mengimbas proses fotosintesis ultrafast. Melalui pengubahsuaian khas laser ultra-pendek masa, para penyelidik dapat secara langsung menunjukkan dalam tumbuh-tumbuhan hidup, semasa peraturan ini, betul-betul bagaimana menukar kerja.

Tindak balas ultrafast menghilangkan tenaga sebagai haba

Sebaik sahaja matahari menyinari daun terlalu banyak, klorofil hijau menggabungkan dalam beberapa saat dengan pigmen daun carotenoid oren, walaupun tidak secara kimia tetapi secara elektronik. Dengan "helah" mekanik kuantum, kedua-dua molekul kemudian berkelakuan sama seperti paparan tunggal

Molekul. Setiap molekul kini mempunyai beberapa sifat molekul yang lain.

Walaupun pewarna hijau biasanya menyimpan tenaga cahaya secara elektronik dalam jangka masa pendek, molekul karotenoid dengan cepat menghasilkan haba dari itu. Dengan "mencampurkan" harta karotenoid ini dengan klorofil, maka tenaga lebihan itu dengan serta-merta selamat diubah menjadi panas. Dengan mengurangkan intensiti cahaya, kedua-dua molekul itu segera melepaskan hubungan mereka, dan molekul klorofil membekalkan pusat tindak balas dengan tenaga seperti biasa.

Proses-proses ini berlaku dalam masa yang sangat singkat, iaitu dalam beberapa femtoseconds - trilionths sejuta detik. Sebagai perbandingan, tiada apa yang lebih cepat daripada cahaya, tetapi ia memerlukan lebih daripada 100 femtoseconds untuk menutup hanya jarak, diameter a

sesuai dengan rambut manusia.

Manfaat untuk fotovoltaik dan pembiakan tumbuhan

"Ini memberikan kita pandangan yang mungkin, sebagai contoh, menjadi penting untuk pembiakan tanaman yang produktif walaupun di bawah keadaan iklim yang melampau, seperti di negara-negara Dunia Ketiga, " kata Walla. "Matlamat jangka sederhana penyelidikan kami ialah pembangunan fotosintesis tiruan dan sintesis

sistem photovoltaic novel, contohnya dengan nanopartikel khas. Ini bertindak dengan cara yang sama seperti klorofil atau karotenoid, tetapi mereka lebih stabil. "

Sistem model pertama, yang kecekapannya bergantung kepada kelajuan proses penukaran tenaga, serupa dengan sifat-sifatnya, telah dibangunkan di TU Braunschweig dan disiasat dengan laser ultra-pendek masa.

(Technical University Braunschweig, 20.08.2009 - NPO)