Ikke-klassisk fotosyntese af jordens uorganiske halvledende mineraler

Fotosyntese, den proces, hvorved planter og andre organismer omdanner sollys til kemisk energi, har været en stor spiller under livets udvikling og vores planets atmosfære. Selvom de fleste ind og ud af fotosyntesen er forstået, hvordan de nødvendige mekanismer udviklede sig, er stadig et debatemne. Svaret på dette spørgsmål, imidlertid, kan faktisk ligge begravet i mineralverdenen.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Jordvidenskabelige grænser , forskere fra Peking University, Kina, flyttet fokus i fotosynteseforskning fra planter og bakterier et skridt længere tilbage til klipper og stoffer, der findes i det, der er kendt som "mineralmembranen" på jorden. De foreslår, at forskellige komponenter i dette relativt tynde lag, såsom birnessit, goethite, og hæmatit, kan også optage energi fra sollys og kanalisere det til kemiske reaktioner. Men hvordan sker dette?

Disse halvledende mineraler er følsomme over for specifik bølgelængde af sollys. Når de absorberer fotoner, elektroner i lavere energitilstande (valensbånd) er begejstrede for at hoppe ind i højere energitilstande (ledningsbånd). Fotoelektronerne har tilstrækkelig energi til at drive reduktionsreaktioner, der ellers ville kræve ekstern energi.

Overraskende, denne ikke-klassiske fotosyntesemekanisme, der forekommer i udbredte halvledende mineraler, kan katalysere reaktioner, der ligner dem i biologisk fotosyntese, der findes i cyanobakterier. For eksempel, visse mineraler kan fremme iltudvikling (dannelse af dioxygenmolekyler) og kulfiksering (producere organiske forbindelser ved hjælp af carbonatomer fra uorganiske kilder). I øvrigt, disse mineraler kan endda fungere som fotokatalysatorer for vandspaltning, der producerer hydrogen og ilt fra vand, og omdannelse af atmosfærisk kuldioxid til marine carbonatprodukter. Disse processer kombineret kunne have spillet en transformerende rolle i hele den primitive jord, forårsager mærkbare ændringer i atmosfæriske og marine forhold for at fremme udviklingen af ​​tidlige livsformer.

Mest vigtigt, forskerne bemærkede, at birnessit strukturelt ligner "Mn ₄ CaO ₅ kompleks i kernen i fotosyntesesystemerne i moderne organismer. Denne manganholdige forbindelse, som udfører vandspaltning ved absorbering af sollys, kan faktisk have udviklet sig som en analog til birnessit. Hovedforfatter Dr. Anhuai Lu forklarer, "Vores arbejde inden for dette nye forskningsfelt om mekanismerne for interaktion mellem lys, mineraler, og livet afslører, at mineraler og organismer faktisk er uadskillelige. "Forskerne postulerer, at primitive bakterier ville have været afhængige af mineraler som birnessit til først at omdanne sollys til nyttig kemisk energi, før de langsomt inkorporerer strukturelle analoger i deres cellulære kroppe under hele evolutionen.

En bedre forståelse af ikke-klassisk fotosyntese vil hjælpe forskere med at afsløre mysterierne bag livets udvikling og den kemiske sammensætning af vores planet, som vi kender den. Fra et mere praktisk synspunkt, det vil også hjælpe med udviklingen af ​​effektive metoder til høst af solenergi. "Vi kan bruge mineralsk fotokatalyse til at fremme spaltning af vand, derved forbedre effektiviteten af ​​biofotosyntesesystemer og føre til revolutionerende teknologier, "bemærker Dr. Lu.

Fra fremskridt inden for miljøvenlige applikationer til en dybere viden om livets historie, det er klart, at der er meget at vinde på at studere de naturlige vekselvirkninger mellem sollys og mineraler. I modsætning til hvordan det gamle ordsprog lyder, der synes stadig at være mange nye ting under solen!