Znajdź zawartość

Co łączy uniwersyteckie laboratorium w Chicago, gdzie naukowcy schładzają atomy do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, uzyskując egzotyczny stan materii, z widocznymi przez okna drzewami uzyskującymi energię z fotosyntezy? Pozornie nic, ale najnowsze badania prowadzone na University of Chicago sugerują, że to, co robią naukowcy i to, co robią drzewa, może być bardziej podobne, niż nam się wydaje. Uczeni poinformowali właśnie na łamach PRX Energy, że znaleźli podobieństwa na poziomie atomowym pomiędzy fotosyntezą a kondensatami ekscytonowymi, niezwykłym stanem materii, który pozwala na bezstratne przesyłanie energii przez materiał. Odkrycie to może prowadzić do znacznego udoskonalenia elektroniki. O ile nam wiadomo, nikt wcześniej nie zauważył tych podobieństw, a to, co odkryliśmy jest niezwykle ekscytujące, mówi współautor badań, profesor David Mazziotti. Laboratorium Mazziottiego specjalizuje się w modelowaniu niezwykle złożonych interakcji pomiędzy atomami i molekułami. Przed trzema laty wykazano tam na przykład, że możliwe jest istnienie podwójnego kondensatu fermionów i ekscytonów, a spostrzeżenie to może zrewolucjonizować obrazowanie medyczne. W ostatnim czasie Mazziotti oraz Anna Schouten i LeeAnn Sager-Smith modelowali zjawisko fotosyntezy na poziomie molekularnym. Gdy foton ze Słońca uderza w liść, dochodzi do wyładowania w specjalnej molekule. Energia tego wyładowania uwalnia elektron. Następnie elektron ten, wraz z dziurą, w której był, wędrują przez liść, przenosząc energię do miejsca, w którym rozpoczyna ona reakcję chemiczną wytwarzającą cukry odżywiające roślinę. Ta wędrująca para elektron-dziura zwana jest ekscytonem. Gdy naukowcy stworzyli model przemieszczania się wielu takich ekscytonów, zauważyli znany sobie wzorzec. Okazało się, że ekscytony w liściu czasem zachowują się bardzo podobnie do kondensatu Bosego-Einsteina, zwanego czasem piątym stanem materii. W kondensacie Bosego-Einsteina cząstki zachowują się jak jedna cząstka. Dzięki temu w materiale takim energia może być przemieszczana bez strat. Zaobserwowanie takiego stanu materii podczas fotosyntezy to olbrzymie zaskoczenie, gdyż dotychczas kondensat Bosego-Einsteina obserwowano w bardzo niskich temperaturach. Naukowcy mówią, że to tak, jakbyśmy obserwowali kostki lodu tworzące się w filiżance gorącej kawy. Fotosynteza zachodzi w systemach w temperaturze pokojowej. Co więcej, struktura takich systemów jest nieuporządkowana. To warunki całkowicie odmienne od dziewiczych krystalicznych materiałów i niskich temperatur, w jakich uzyskuje się kondensaty elektronowe, mówi Schouten. Zaobserwowane zjawisko nie obejmuje całego systemu, w którym dochodzi do fotosyntezy. Bardziej przypomina pojawiające się „wyspy” kondensatu. To jednak wystarczy, by zwiększyć transfer energii w systemie, wyjaśnia Sager-Smith. Z modelu wynika, że te „wyspy” podwajają wydajność całego procesu. Profesor Mazziotti jest zadowolony z odkrycia i mówi, że otwiera ono nowe możliwości w dziedzinie syntezy materiałów na potrzeby technologii przyszłości. Idealny kondensat ekscytonowy to stan bardzo wrażliwy i wiele warunków musi być spełnionych, by zaistniał. Ale jeśli myślimy o praktycznych zastosowaniach, to nie potrzebujemy ideału. To ekscytujące obserwować zjawisko, które zwiększa wydajność transferu energii, ale zachodzi w temperaturze pokojowej, cieszy się uczony. Naukowiec zauważa jeszcze jedną ważną rzecz. Zachodzące w procesie fotosyntezy interakcje pomiędzy atomami a molekułami są tak złożone, że z ich symulowaniem nie radzą sobie nawet najpotężniejsze superkomputery. Dlatego też podczas badania tych zjawisk dokonuje się uproszczeń. Najnowsze odkrycie pokazuje, że niektórych elementów upraszczać nie należy. Sądzimy, że lokalne korelacje elektronów muszą pozostać, byśmy mogli badać, jak działa natura. « powrót do artykułu

W piśmie Energy & Environmental Science ukazał się artykuł opisujący mikroprocesor zasilany procesem fotosyntezy. Twórcami niewielkiego systemu są naukowcy z University of Cambridge, a ich procesor pracuje bez przerwy od ponad roku. Ich badania dają nadzieję na stworzenie stabilnego, odnawialnego źródła zasilania dla niewielkich urządzeń. Wielkość całego systemu jest porównywalna z rozmiarami baterii AA. W jego skład wchodzą glony z rodzaju Synechocystis, niewielka aluminiowa elektroda i mikroprocesor. Całość zbudowana jest z tanich, powszechnie dostępnych i w większości poddających się recyklingowi materiałów. Twórcy systemu mówią, że najbardziej się on przyda w miejscach, gdzie brak jest dostępu do sieci energetycznych, a potrzebne są niewielkie ilości energii np. do zasilania czujników. Rozrastający się Internet of Things zwiększa zapotrzebowanie na energię elektryczną. Myślimy, że mamy tutaj rozwiązanie pozwalające na generowanie jej niewielkich ilości na bieżące potrzeby, mówi jeden z twórców systemu, profesor Christopher Howe. W naszym systemie nie występuje problem wyczerpania energii, gdyż do jej wytwarzania wykorzystywane jest światło słoneczne, dodaje. Podczas prowadzonego właśnie eksperymentu glony wykorzystywane są do zasilania procesora Arm Cortex M0+, który powszechnie wykorzystywany jest w Internet of Things. Zasilany glonami procesor pracował zarówno w warunkach domowych jak i na zewnątrz. Był wystawiony na naturalne zmiany światła i temperatury. Byliśmy pod wrażeniem ciągłości jego pracy. Sądziliśmy, że całość może ulec awarii po kilku tygodniach, ale tak się nie stało, mówi doktor Paolo Bombelli z Wydziału Biochemii University of Cambridge. Glony nie potrzebują specjalnego odżywiania, gdyż zapewniają sobie – i procesorowi – energię drogą fotosyntezy. I mimo tego, że do jej przeprowadzenia konieczne jest światło, procesor był zasilany nawet w okresach, gdy panowała ciemność. Glony wciąż prowadziły procesy metaboliczne. Twórcy systemu zwracają uwagę, że zasilanie miliardów Internet of Things stosowanymi obecnie akumulatorami litowo-jonowymi byłoby niepraktyczne. Potrzebne do tego byłoby więcej litu, niż obecnie wytwarzamy. A tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z użyciem materiałów niebezpiecznych dla środowiska. Stąd potrzeba opracowania nowych, stabilnych i przyjaznych środowisku źródeł energii. « powrót do artykułu

Do fotosyntezy potrzebne jest nie tylko światło, ale i ciepło - dowodzą naukowcy z Lublina. Rośliny odzyskują część ciepła, które powstaje w fotosyntezie, i używają go ponownie do zasilania reakcji napędzanych światłem, w tym – do produkcji tlenu – tłumaczy prof. Wiesław Gruszecki. Naukowcy mają nadzieję, że wiedzę dotyczącą gospodarowania strumieniami energii w aparacie fotosyntetycznym roślin uda się wykorzystać np. w rolnictwie, by zwiększyć plony. Energia niezbędna do podtrzymywania życia na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego. Wykorzystanie tej energii możliwe jest dzięki fotosyntezie. W ramach fotosyntezy dochodzi do przetwarzania energii światła na energię wiązań chemicznych, która może być wykorzystana w reakcjach biochemicznych. W procesie tym rośliny rozkładają też wodę, wydzielając do atmosfery tlen, potrzebny nam do oddychania. Do tej pory sądzono, że w fotosyntezie rośliny korzystają tylko z kwantów światła. Zespół z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej i Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie wskazał jednak dodatkowy mechanizm: do fotosyntezy potrzebna jest również energia cieplna, która - jak się wydawało - powstaje w tym procesie jako nieistotny skutek uboczny. Tymczasem z badań wynika, że ten „recykling energii” jest niezbędny w procesie wydajnego rozkładania wody do tlenu. Wyniki ukazały się w renomowanym czasopiśmie Journal of Physical Chemistry Letters. Wydajność energetyczna fotosyntezy jest niewielka – mówi w rozmowie z PAP prof. Wiesław Gruszecki z UMCS. Wyjaśnia, że roślina zamienia w biomasę najwyżej 6 proc. energii słonecznej, którą pobiera. Natomiast około 90 proc. energii pochłanianej ze światła jest oddawana do środowiska w postaci ciepła. Dotąd uważaliśmy, że frakcja oddawana do środowiska w postaci ciepła, z punktu widzenia wydajności energetycznej tego procesu, jest nieodwracalnie stracona. Ku naszemu zaskoczeniu okazało się jednak, że aparat fotosyntetyczny w roślinach jest na tyle sprytny, że potrafi jeszcze wykorzystywać część energii rozproszonej na ciepło – mówi. Naukowiec podkreśla, że są to badania podstawowe. Jego zdaniem mają one jednak szansę znaleźć zastosowanie choćby w rolnictwie. Jeśli procesy produkcji żywności się nie zmienią, to w połowie XXI wieku, kiedy Ziemię może zamieszkiwać nawet ponad 9 mld ludzi, nie starczy dla wszystkich jedzenia, tym bardziej przy niepokojących zmianach klimatycznych – alarmuje naukowiec. Badania jego zespołu są częścią międzynarodowych działań naukowców. Badają oni, co reguluje przepływy i wiązanie energii w procesie fotosyntezy. W powszechnym przekonaniu wiedza ta umożliwi inżynierię bądź selekcję gatunków roślin, które dawać będą większe plony. Gdyby produkować rośliny, w których ścieżka odzyskiwania energii cieplnej będzie jeszcze sprawniejsza – uważa badacz – to fotosynteza przebiegać będzie efektywniej, a roślina produkować będzie więcej biomasy. To zaś przekłada się bezpośrednio na większe plony. Zdaniem prof. Gruszeckiego kolejnym miejscem, gdzie można zastosować nową wiedzę, jest produkcja urządzeń do sztucznej fotosyntezy. Prace nad nimi trwają już w różnych miejscach na Ziemi, również w Polsce. Naukowiec wyjaśnia, na czym polegało odkrycie jego zespołu. Z badań wynika, że wśród struktur w chloroplastach, w których zachodzi fotosynteza, znajdują się kompleksy barwnikowo-białkowe. Pełnią one funkcję anten zbierających światło. Okazuje się, że kompleksy te grupują się spontanicznie w struktury zdolne do recyklingu energii rozproszonej w postaci ciepła. Anteny te przekazują również energię wzbudzenia uzyskaną z ciepła do centrów fotosyntetycznych, w których zachodzą reakcje rozszczepienia ładunku elektrycznego (w szczególności do Fotosystemu II). Proces ten wpływa na wzrost wydajności energetycznej fotosyntezy. I umożliwia wykorzystanie w tym procesie promieniowania o niższej energii (również z obszaru bliskiej podczerwieni). Wydaje się mieć to szczególne znaczenie w warunkach niskiej intensywności światła słonecznego. « powrót do artykułu

Rośliny zamieniają światło słoneczne w energię za pomocą procesu fotosyntezy. Jednak proces ten jest obarczony poważnym błędem, który spowodował, że w roślinach wyewoluowało fotooddychanie. To kosztowny energetycznie proces, który znacząco zmniejsza potencjał wzrostu roślin. Naukowcy z University of Illinois i Departamentu Rolnictwa USA poinformowali na łamach Science, że udało im się tak poprawić proces fotooddychania, iż zwiększyli plony o 40%. Dzięki temu plony na samym tylko Środkowym Zachodzie USA mogłyby zwiększyć się tak, że można by wyżywić dodatkowo 200 milionów ludzi, mówi główny autor badań, profesor Donald Ort. Jeśli uda się w ten sposób tylko częściowo zwiększyć plony roślin uprawnych, to będziemy w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na wyżywienie w XXI wieku. Gwałtownie ono rośnie w związku z rosnącą liczbą ludności oraz coraz większą kalorycznością diety, dodaje uczony. Przełomowe badnia to część międzynarodowego projektu badawczego o nazwie Realizing Increased Photosynthetic Efficency (RIPE), który jej finansowany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów, Foundation for Food and Agricultural Research oraz brytyjski Departament Rozwoju Międzynarodowego. W procesie fotosyntezy wykorzystywany jest najbardziej na świecie rozpowszechniona proteina, enzym Rubisco. Wraz ze światłem słonecznym jest on wykorzystywany do zamiany dwutlenku węgla i wody w cukry odżywiające rośliny. Z czasem Rubisco padł ofiarą własnego sukcesu, doprowadzając do pojawienia się atmosfery bogatej w tlen. Enzym nie jest w stanie idealnie odróżnić molekuły dwutlenku węgla od molekuły tlenu i w 20% przypadków pobiera tlen zamiast CO2. W efekcie w roślinie powstaje toksyczny związek, który musi być usuwany za pomocą fotooddychania. Fotooddychanie to przeciwieństwo fotosyntezy, mówi inny z autorów badań, biolog molekularny Paul South. Pozbawia ono roślinę cennej energii i zasobów, które mogłaby zainwestować w fotosyntezę i we własnych wzrost. Fotooddychanie przebiega złożoną drogą przez trzy elementy roślin: choroplasty, peroksysomy i mitochondria. Amerykańscy naukowcy stworzyli alternatywną drogę dla procesu oddychania, dzięki czemu znacząco go uprościli, dzięki czemu roślina oszczędza tak duże ilości energii, że jej plony rosną o 40%. Po raz pierwszy w historii udało się manipulować fotooddychaniem tak, że doszło do zwiększenia plonów upraw prowadzonych w normalnych, a nie laboratoryjnych, warunkach. Tak jak Kanał Panamski był wielkim osiągnięciem inżynieryjnym, który zwiększył efektywność światowego handlu, tak skrócenie drogi procesu fotooddychania to wielkie osiągnięcie inżynierii roślin, które pozwala na znaczące zwiększenie efektywności fotosyntezy, mówi dyrektor RIPE, Stephen Long. Zespół naukowy, za pomocą odpowiednich zmian w genach i ich promotorach, opracował trzy alternatywne drogi fotooddychania. Następnie zaimplementował je w 1700 roślinach, które poddał testom polowym, by wybrać te, które będą sobie najlepiej radziły. Po dwóch latach wielokrotnie powtarzanych studiów polowych powstała metoda, dzięki której rośliny rosły szybciej, były wyższe, wytwarzały około 40% więcej biomasy. Badania były prowadzone na tytoniu, który jest idealnym modelem do badań nad roślinami, gdyż łatwo poddaje się modyfikacjom i testom. Teraz uczeni przekładają wyniki uzyskane na tytoniu na bardziej przydatne rośliny, takie jak soja, ryż, ziemniaki, pomidory, bakłażany i wspięga wężowata. W miarę ocieplania się klimatu Rubisco ma coraz większe problemy z odróżnieniem tlenu od dwutlenku węgla, co powoduje coraz większe fotooddychanie. Naszym celem jest stworzenie lepszych roślin, które poradzą sobie z ociepleniem teraz i w przyszłości oraz wyposażenie rolników w technologie potrzebne do wykarmienia świata, mówi Amanda Cavanagh. « powrót do artykułu

Profesor Iain Stewart z Uniwersytetu w Plymouth zamierza w przyszłym tygodniu w nietypowy sposób uświadomić ludziom znaczenie fotosyntezy. Naukowiec zostanie zamknięty na 2 dni w nieprzepuszczającym powietrza kontenerze z pleksi. Razem z nim trafi tam 160 roślin (30 dużych i 130 mniejszych), które dla siebie wytworzą glukozę, a dla mieszkającego z nimi człowieka tlen. Na miejsce przeprowadzenia eksperymentu wybrano ogród botaniczny Eden Project, który znajduje się w odległości 3 km od St Austell w Kornwalii. Kontener o wymiarach 2x6x2,5 m wypełnią rośliny, o których wiadomo, że produkują dużo tlenu, np. miskanty, bananowce czy kukurydza zwyczajna. Przedsięwzięcie jest nieco ryzykowne z kilku względów. Po pierwsze, w XVIII w. wykazano, że w opisanych warunkach przeżyje mysz, ale człowiek nie brał jeszcze udziału w takich testach. Po drugie, w kontenerze będzie tylko tyle roślin, aby wytworzyć minimalną konieczną do przeżycia ilość tlenu. Po trzecie wreszcie, przed zamknięciem śmiałka zawartość tlenu w kontenerze zostanie obniżona o połowę (z 21 do 12%), dlatego jego los będzie zależał od umiejętności wykorzystania przez rośliny substratów w postaci wydychanego przez profesora dwutlenku węgla i niewielkich ilości pary wodnej. Gdy pozostanie 12% tlenu, naukowcy zamierzają włączyć silne żarówki. Stewart nie będzie, oczywiście, pozostawiony sam sobie. Stężenie tlenu w kontenerze skontrolują czujniki. Budowa pomieszczenia rozpoczęła się 8 września. Rośliny, które do niego trafią, były już od 3 miesięcy hodowane przez doktora Alistaira Griffithsa z Eden Project. Trzymamy kciuki za powodzenie misji!

Naukowcom z MIT-u udało się skopiować pomysł natury na przeprowadzanie fotosyntezy. Ich wynalazek już na etapie prototypu jest w stanie zamienić w energię elektryczną aż 40% energii padającego nań promieniowania słonecznego. To znacznie więcej niż najdoskonalsze obecnie konwencjonalne ogniwa fotowoltaiczne. Jednym z największych problemów związanych z pozyskiwaniem energii ze Słońca jest fakt, iż promieniowanie słoneczne niszczy wiele materiałów, przez co stopniowo tracą one swoje właściwości. Natura radzi sobie z tym w ten sposób, że przechwytujące światło molekuły ulegają rozbiciu, a następnie ponownie zostają złożone. Dzięki temu element światłoczuły jest ciągle odnawiany, charakteryzuje się zatem wysoką wydajnością. Michael Strano, profesor chemii z MIT-u mówi, że na pomysł naśladowania natury wpadł, czytając o biologii roślin. Byłem naprawdę pod wrażeniem tego, jak wydajny jest mechanizm naprawy roślin. W lecie, w pełnym słońcu liść z drzewa odtwarza swoje proteiny co 45 minut - mówi uczony. Strano postanowił znaleźć sposób na naśladowanie tego mechanizmu. Wraz ze swoim zespołem wyprodukował sztuczne fosfolipidy w kształcie dysku. Fosfolipidy te stanowiły podstawę dla innych, światłoczułych molekuł, nazwanych tutaj centrami reakcji. Gdy uderzył weń foton, uwalniały one elektron. Dyski z fosfolipidów były zanurzone w roztworze zawierającym nanorurki, w których spontanicznie się z nimi łączyły. Nanorurki utrzymywały dyski w uporządkowanym ułożeniu tak, że wszystkie centra reakcji były jednocześnie wystawione na działanie słońca. Nanorurki przewodziły pozyskane elektrony. Gdy do całości dodano surfaktant, cała struktura rozpadała się na swoje części składowe, tworząc zawiesinę. Z kolei po usunięciu surfaktantu - co uzyskiwano przepychając roztwór przez membranę - ponownie dochodziło do spontanicznego zorganizowania się wszystkich składowych w ogniwo fotowoltaiczne. Uczeni zbudowali prototyp według wcześniej opracowanych teoretycznych założeń. Badania wykazały, że po 14 godzinach pracy i ciągłego rozbijania oraz ponownego składania ogniwa, nie występuje żaden spadek jego wydajności. Teoretyczna wydajność takiego systemu jest bliska 100 procentom. Obecnie naukowcy szukają sposobu na zwiększenie w roztworze koncentracji struktur budujących ogniwo. Prototyp zawierał ich niewiele, dlatego też produkował bardzo mało elektryczności na jednostkę powierzchni.

Chlorofil - związek chemiczny pozwalający roślinom (a także glonom i niektórym bakteriom) na czerpanie energii w procesie fotosyntezy można uznać za podstawę istnienia życia na Ziemi w ogóle. Dlatego odkrycie nowego, nieznanego typu chlorofilu jest wydarzeniem w biologii. Dotychczas znano cztery rodzaje chlorofilu. Najbardziej rozpowszechnione są chlorofil A i B, znajdowane u roślin zielonych. Oba te typy chlorofilu pochłaniają głównie światło widzialne w zakresie niebieskim (około 465 nanometrów) oraz żółtopomarańczowym/czerwonym (665 nm), odbijając światło zielone (stąd bierze się zielony dla nas kolor roślinności). Chlorofil C i D znajdowany jest u mniej licznych organizmów, głównie u glonów. Rodzaj C pochłania światło podobnie do A i B, z trochę przesuniętym spektrum, zaś D głównie czerwone (697 nm). Nową odmianę chlorofilu, nazwaną „F", odkryto w stromatolitowych skałach basenu Hamelin, w Zatoce Rekina w zachodniej Australii. Ponieważ znaleziono go w ekstraktach z osadów dennych, nie jest jeszcze pewne, jakie organizmy go wytwarzają, wg Mina Chena, biologa molekularnego na University of Sydney, który dokonał odkrycia, najbardziej prawdopodobnym ich twórcą są nitkowate cyjanobakterie, czyli sinice. Największą jednak sensacją jest to, że chlorofil F absorbuje światło o długości nieużytkowanej przez inne organizmy. Wykorzystuje on promieniowanie tuż spoza czerwonego końca widma widzialnego, czyli bliską podczerwień. To zmienia całkowicie pojęcie o możliwościach chlorofilu. Co ciekawe, budową niewiele różni się od znanych odmian chlorofilu i prawdopodobnie jest wykorzystywany przez organizmy żyjące nisko, w miejscach, gdzie pozostałe spektrum światła jest już pochłonięte przez konkurencję. Naukowcy snują już plany praktycznego wykorzystania odkrycia. Chcą przy pomocy inżynierii genetycznej wprowadzić chlorofil F do wybranych gatunków glonów, tak udoskonalone, absorbowałyby większą część spektrum światła i były znacznie wydajniejszymi producentami na przykład biopaliw.

Gdy jesienią liście zaczynają żółknąć, szrotówek białaczek (Phyllonorycter blancardella) wykonuje swego rodzaju reanimację. Dzięki bakteriom z rodzaju Wolbachia larwy motyla mają się świetnie na zielonych, czyli prowadzących fotosyntezę połaciach, podczas gdy reszta drzewa przeszła już ogałacającą metamorfozę zmian pór roku. Szrotówki należą do owadów minujących, które drążą korytarze w liściach lub młodych pędach. Podobnie jak ssaki, wchodzą w symbiozę z bakteriami, pomagającymi im w trawieniu rozmaitych substancji. Często mikroby są przekazywane z pokolenia na pokolenie. Udowodniono także, że u owadów endosymbionty "opracowują" nowe metody obrony dla swoich łaskawych gospodarzy. Ekolog David Giron z Université François Rabelais w Tours z podziwem przygląda się tym organizmom. Wg Francuza, Wolbachia mogą wpływać na metabolizm roślin. Niektóre bakterie, w tym one, mają bowiem gen występujący także u przedstawicieli flory, który pobudza komórki roślinne do produkcji hormonów zwanych cytokininami. To niezwykle istotne, ponieważ związki te opóźniają śmierć komórkową. By sprawdzić, czy Wolbachia mają coś wspólnego z powstawaniem wysepek zieleni pośród morza żółtych liści, zespół Girona podał "doustnie" niektórym samicom antybiotyki. W ten sposób uśmiercono bakteryjnych współpracowników motyli. Samice złożyły później jaja na liściach jabłoni. Okazało się, że larwy samic z grupy kontrolnej (niepotraktowanej lekami) były w stanie doprowadzić do zachowania fotosyntetyzujących liści, lecz reszcie się ta sztuczka nie udawała. Bez bakterii nie masz zielonej wysepki, a jeśli jej nie masz, giniesz – podsumowuje Giron. Na razie biolodzy nie wiedzą, czy Wolbachia same wytwarzają cytokininy, czy też w grę wchodzi inny mechanizm. Tak czy siak daje to motylom dodatkowy miesiąc na rozmnożenie i wzrost.

Z jednej strony naukowcy wciąż poszukują rozwiązania tajemnicy, jak martwa materia uformowała życie, z drugiej badają zagadnienia ewolucji i specjacji gatunkowej. A pomiędzy nimi trwają prace mające na celu odpowiedź: jak jednokomórkowe organizmy przekształciły się w skomplikowane wielokomórkowce. Jak tłumaczą Klaus Valentin i Bank Beszteri z Instytutu Badań Polarnych i Morskich Alfreda Wegenera w Helmholtz, wielokomórkowe życie wyewoluowało na pięć różnych sposobów, tworząc zwierzęta, rośliny, grzyby, czerwone algi (krasnorosty) i brązowe algi (brunatnice). Dlatego naukowcy ewolucjoniści postawili sobie za cel stworzyć kompletną mapę genomu dla reprezentatywnego gatunku każdej z tych linii ewolucyjnych. Klaus Valentin i Bank Beszteri od początku zaangażowani byli w projekt stworzenia mapy genomu brunatnicy - Ectocarpus siliculosus, nad którym pracowało blisko stu naukowców i inżynierów. Przeanalizowanie 214 milionów par zasad i przydzielenie ich do 16 tysięcy genów trwało pięć lat. Wcześniej zakończono odczyt genomu krasnorostu, nadszedł więc czas badań porównawczych i oceniania zdobytej wiedzy. Wiadomo już, że wiele genów podobnych jest do roślin lądowych, więc można podejrzewać, że odgrywały kluczową rolę w pierwotnych organizmach wielokomórkowych. Zsekwencjonowanie genomu brunatnicy ma istotne znaczenie dla jeszcze jednego celu badawczego - odtworzenia przebiegu ewolucji fotosyntezy. Wiadomo, że wytwarzanie tlenu dzięki energii słonecznej zostało „wynalezione" około 3,8 miliarda lat temu przez cyjanobakterie. Algi zielone i czerwone zyskały tę umiejętność dzięki symbiozie z cyjanobakteriami. Jak sądzono, algi brązowe powstały z połączenia bezbarwnych komórek nie posiadających umiejętności fotosyntezy z jednokomórkowymi krasnorostami. Ostatnie badania sugerują raczej, że powstały one z połączenia krasnorostów i alg zielonych (zielenic). Brunatnica - Ectocarpus siliculosus - to organizm morski, występujący powszechnie w klimacie umiarkowanym i polarnym, a badania nad nim mają również znaczenie ekologiczne. Porastając obficie skaliste wybrzeża pełnią w morskim ekosystemie rolę podobną do lasów na lądzie. Niektóre gatunki osiągają nawet 160 metrów długości, tworząc środowisko dla wielu organizmów. Żyjąc w strefach dużych pływów wykazują odporność na długotrwały brak wody i promieniowanie ultrafioletowe. Zrozumienie, jak wykształciły te właściwości może być interesujące i przydatne w kontekście zmian klimatycznych. Brązowe algi są ewolucyjnie znacznie starsze od roślin lądowych, ich metabolizm posiada wiele unikatowych właściwości, które nie zostały jeszcze zbadane. Zrozumienie, jak funkcjonują te organizmy może przyczynić się do wielu praktycznych odkryć i zastosowań w nowych produktach i technologiach.

Jedną z metod przechowywania i zamieniania energii słonecznej na użyteczne paliwo, jest jej wykorzystanie do rozłożenia wody na tlen i wodór. Zespół profesor Angeli Belcher z Massachusetts Institute of Technology, opracował nowatorską wydajną metodę produkcji energii ze Słońca. Uczeni całkowicie pominęli proces pośredni, czyli wyłapywanie energii przez panele słoneczne. Zamiast nich wykorzystali genetycznie zmodyfikowane nieszkodliwe wirusy M13, których zadaniem jest związanie molekuł katalizatora (tlenek irydu) i biologicznego pigmentu (porfiryny cynkowe). W efekcie wirusy tworzą długie łańcuchy, które bardzo skutecznie rozbijają wodę na tlen i wodór. Z czasem jednak takie łańcuchy zbijałyby się w grupy i traciły na efektywności. dlatego też uczeni zamknęli je w kapsułach z żelu, dzięki którym utrzymywały efektywność i stabilność. Profesor Belcher już wcześniej próbowała wykorzystywać materiał roślinny do przeprowadzania podobnych operacji, jednak okazał się on bardzo niestabilny. Dlatego też postanowiła skorzystać nie z samego materiału, a z wykorzystywanych przez rośliny metod. W roślinach pigmenty absorbują światło, a katalizator jest wykorzystywany do przeprowadzenia reakcji. W metodzie MIT-u wirusy są wykorzystywane jako rodzaj rusztowania dla pigmentu i katalizatora tak, by dochodziło do absorpcji światła oraz reakcji. Pigment działa jak antena przechwytująca światło. Następnie energia jest transportowana po łańcuchu wirusów - wyjaśnia Belcher. Dzięki odpowiedniej konfiguracji wszystkich elementów udało się, w porównaniu do podobnych metod, czterokrotnie zwiększyć wydajność systemu. Uczeni pracują teraz nad drugim elementem systemu. Obecnie bowiem wodór jest rozbijany na protony i elektrony. Naukowcy chcą opracować sposób na to, by ponownie się one połączyły. Poszukiwany jest też tańszy i łatwiej dostępny zamiennik dla rzadkiego irydu, który został wykorzystany podczas wstępnych prac. Profesor Thomas Mallouk z Pennsylvania State University chwali osiągnięcia swoich kolegów z MIT-u. Dodaje przy tym, że nowy system, by móc konkurować z obecnie używanymi technologiami pozyskiwania energii ze Słońca, musi być 10-krotnie bardziej wydajny od naturalnej fotosyntezy, powinien wykorzystywać tańsze materiały, a reakcja musi być powtarzalna miliardy razy. Tak daleko idącego udoskonalenia nowego systemu nie należy się spodziewać w najbliższej przyszłości. Jednak pomysł ten może być decydującym elementem, który pomoże projektować takie systemy - dodał Mallouk. Profesor Belcher nie chciała nawet spekulować na temat daty rynkowej premiery nowej technologii. Stwierdziła jedynie, że w ciągu najbliższych dwóch lat chciałaby skonstruować prototypowe urządzenie, które będzie wykorzystywało opracowany przez jej zespół proces.

Naukowcy z University of Tennessee opracowali prostą i potencjalnie użyteczną metodę wytwarzania wodoru, opartą o wykorzystanie cyjanobakterii (sinic). Wydajność nowej technologii syntezy tego gazu, uznawanego za jedno z potencjalnych paliw przyszłości, osiąga wartość 25-krotnie wyższą od metod wykorzystywanych obecnie. Sercem reaktora pozwalającego na wytwarzanie wodoru (H2) jest fotosystem I (PS I) - wielocząsteczkowy kompleks obecny w komórkach sinic, ale także roślin i organizmów zaliczanych do glonów. W normalnych warunkach bierze on udział w fotosyntezie, lecz dzięki odizolowaniu od części elementów współodpowiedzialnych za ten proces możliwe było wykorzystanie jego aktywności do wytwarzania wodoru. Aby umożliwić wytwarzanie czystego H2, zespół Barry'ego Bruce'a wyizolował kompleksy PS I z komórek sinic i połączył je z nanocząstkami platyny. Tak przygotowany katalizator umieszczono w przezroczystym pojemniku, po czym do jego roztworu dodano cząsteczki cytochromu c6 - innego białka biorącego udział w wytwarzaniu nośników energii chemicznej. Substratem do syntezy cząsteczek wodoru są elektrony uwalniane podczas utleniania cytrynianu sodu - związku łatwego do uzyskania w procesach biotechnologicznych. Po uwolnieniu elektrony są przechwytywane przez cytochrom c6, a następnie przekazywane do kompleksów PS I i platyny, które pobierają z otaczającego je roztworu jony wodorowe (H+), a następnie, wykorzystując energię pozyskaną ze światła słonecznego, łączą je z elektronami. Produktem tego procesu są cząsteczki H2 - ważnego surowca chemicznego oraz nośnika energii mogącego znaleźć zastosowanie m.in. w przemyśle i motoryzacji. Największą zaletą nowej metody jest jej wydajność, osiągająca poziom 25-krotnie wyższy, niż w przypadku technologii stosowanych dotychczas. Jest to możliwe dzięki wyselekcjonowaniu ciepłolubnych sinic jako źródła PS I. Kompleksy te mogą działać nawet w temperaturze 55°C, co pozwala na znaczne zwiększenie szybkości zachodzących reakcji. Czy to wystarczy, by wodór stał się podstawowym paliwem niedalekiej przyszłości? Dowiemy się tego za kilka lat.

Światła hipermarketów sprawiają, że szpinak nie tylko pozostaje świeży, ale i wytwarza nowe witaminy – donoszą naukowcy z działu badań amerykańskiego Departamentu Rolnictwa. Sądzą, że ich odkrycie może się również odnosić do innych warzyw (Journal of Agricultural and Food Chemistry). Gene Lester opowiada, że na pomysł eksperymentu wpadł podczas robienia zakupów. W hipermarketach często bowiem przechowuje się szpinak w przezroczystych pojemnikach. Temperatura wynosi 4°C, a warzywo przez całą dobę znajduje się w zasięgu świetlówek. Naukowca zastanowiło, czy to zabieg dobry, czy zły dla liści. Zespół z USDA przez 3 do 9 dni stale oświetlał świeży szpinak albo trzymał go w całkowitej ciemności. Liście przechowywane przez zaledwie trzy dni w "warunkach świetlnych" zawierały znacznie więcej witamin C, K i E oraz kwasu foliowego i karotenoidów, w tym zeaksantyny. Jak zauważa Lester, warzywo przechowywane w ciemni, straciło swoje właściwości odżywcze. Zasadniczo te witaminy znajdują się w roślinie dla fotosyntezy. My, ludzie, stanowimy największe zagrożenie dla flory. Z czasem wyewoluowaliśmy w taki sposób, by korzystać z niej, nie musząc samodzielnie wytwarzać różnych substancji. Nawet po zebraniu liściaste warzywa nadal fotosyntetyzują. Jak długo w liściach jest wilgoć, a także dostęp do światła i możliwość wymiany gazowej, proces toczy się dalej, bez względu na to, czy zbiory się już odbyły, czy nie.

Jak bardzo "okrojony" może zostać metabolizm żywego organizmu? Wydawać by się mogło, że odpowiedzi na to pytanie należy poszukiwać na drodze badań nad organizmami genetycznie modyfikowanymi w celu blokowania u nich kolejnych dróg przemiany materii i energii. Natura dostarcza jednak niesamowitych modeli do badań nad tym zagadnieniem, o czym świadczy mikroorganizm odkryty przez dr. Jonathana Zehra z University of California. Gatunek zidentyfikowany przez dr. Zehra, noszący tymczasową nazwę UCYN-A, należy najprawdopodobniej do cyjanobakterii. Jest to jednak klasyfikacja co najmniej liberalna, nie wytwarza on bowiem wielu enzymów uznawanych za charakterystyczne dla tej grupy i jednocześnie niemal całkowicie niezbędnych do przeżycia na Ziemi. Mimo to UCYN-A żyje w oceanach i ma się nieźle, a do tego przeprowadza... wiązanie azotu atmosferycznego, proces uznawany za jeden z najbardziej energochłonnych w przyrodzie. Odkrycia UCYN-A dokonano w 1998 r. Wydawało się wówczas, że jest to zwykła cyjanobakteria, zdolna, jak ogromna większość jej krewniaków, do przeprowadzania fotosyntezy. Dopiero w 2008 roku dr Zehr ogłosił jednak na łamach prestiżowego czasopisma Science, że mikroorganizm ten nie syntetyzuje fotosystemu II - układu cząsteczek potrzebnego do wytwarzania chemicznych nośników energii dzięki energii światła. Jak się jednak okazało, było to dopiero pierwsze z wielu interesujących odkryć dotyczących tego gatunku. Wyniki swoich najnowszych badań naukowiec z Kalifornii opublikował w ostatnich dniach w czasopiśmie Nature. Dzięki kompleksowej analizie genomu UCYN-A wykazano, że badany mikroorganizm jest pozbawiony także wielu innych szlaków metabolicznych uznawanych za bardzo ważne dla życia. Należą do nich m.in.: cykl Calvina (seria przemian biochemicznych związanych z fotosyntezą), cykl Krebsa (konieczny dla zajścia wydajnego oddychania tlenowego), a nawet synteza ponad połowy z 20 podstawowych aminokwasów - elementów budulcowych białek. Jest naprawdę "odarty", ocenia metabolizm UCYN-A James Tripp, badacz z zespołu dr. Zehra. Moje analizy wykazują, że musi on korzystać z zewnętrznych źródeł cukrów, aminokwasów oraz dwóch z czterech zasad potrzebnych do wytwarzania DNA, opisuje naukowiec. Jednocześnie Tripp wymienia kolejną ciekawą cechą badanego mikroorganizmu: zdolność do przeprowadzania wiązania azotu atmosferycznego do form użytecznych biologicznie, jednego z najbardziej kosztownych pod względem energetycznym procesów w przyrodzie. Skąd niezwykła cyjanobakteria pobiera energię do życia? Tego aktualnie nie wie nikt. Teoretycznie wiele wskazuje na to, że może ona korzystać z pomocy symbiontów, lecz dotychczasowe badania nie wskazują na istnienie jakiegokolwiek organizmu ściśle współpracującego z UCYN-A. Kolejny raz mamy więc okazję przekonać się, jak niewiele wiemy o życiu na naszej planecie...

Badacze z Uniwersytetu Maine rozwikłali zagadkę ślimaka zdolnego do... przeprowadzania fotosyntezy. Okazuje się, że jego niezwykłe umiejętności są możliwe dzięki wyrafinowanej "kradzieży". Niezwykły mięczak, żyjący u wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych, należy do gatunku Elysia chlorotica. Już kilka lat temu zaobserwowano w jego organizmie chloroplasty - elementy komórek roślinnych odpowiedzialne za przechwytywanie energii słonecznej i wytwarzanie przy jej użyciu cukrów. Dotychczas jednak pełne zrozumienie tego niezwykłego zjawiska było dla badaczy nieuchwytne. Autorką odkrycia jest Mary Rumpho, od lat badająca to niezwykłe zwierzę. Z przeprowadzonych przez nią eksperymentów wynika, że swoją zdolność do fotosyntezy E. chlorotica zawdzięcza "kradzieży" genów występujących normalnie u alg - głównego pokarmu ślimaka. Choć obecność chloroplastów w ciele mięczaka była bezsprzeczna, badacze nie mieli pojęcia, dlaczego jest on w stanie utrzymać je w swoim ciele przez niemal całe życie. Nie od dziś wiadomo bowiem, że własny materiał genetyczny chloroplastów koduje zaledwie około 10% białek potrzebnych do ich funkcjonowania. Pozostałe geny są ukryte w DNA jądra komórkowego alg. Od początku zadawaliśmy więc pytanie, w jaki sposób są one w stanie utrzymać się przy życiu w komórce zwierzęcej nieposiadającej tych białek, tłumaczy badaczka. Eksperymenty przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Maine potwierdziły, że materiał genetyczny chloroplastów wyizolowanych z komórek E. chlorotica nie zawiera genów umożliwiających im długotrwałe przeżycie poza macierzystym organizmem. Oczywistym (choć jednocześnie niezwykle zaskakującym) było więc, że brakujące geny muszą pochodzić z genomu samego ślimaka. Rzeczywiście, badanie sekwencji DNA mięczaka potwierdziło to przypuszczenie. Nie wiemy, jak to możliwe, i możemy jedynie snuć przypuszczenia, tłumaczy Rumpho. Badacze zaproponowali dwie hipotezy mogące wyjaśniać tę zagadkę. Pierwsza z nich mówi o przechwyceniu genów alg razem z pochłanianymi komórkami. Zgodnie z nią, z niewiadomych przyczyn pokaźne fragmenty materiału genetycznego mogły zostać wbudowane do genomu E. chlorotica. Konkurencyjna teoria mówi o niezidentyfikowanym wirusie, który mógł przenieść sekwencje DNA z komórek jednego gatunku do drugiego. Co ciekawe, geny alg znaleziono także w komórkach rozrodczych ślimaka. Oznacza to, że DNA kodujące "egzotyczne" dla niego białka jest przekazywane kolejnym pokoleniom. E. chlorotica nie jest pierwszym odkrytym zwierzęciem wykorzystującym zdolność innych organizmów do fotosyntezy na swoją korzyść. Wyjątkowość odkrycia polega jednak na tym, że w przypadku tego organizmu dochodzi do wbudowania chloroplastów do własnych komórek i utrzymania ich w tym miejscu przez niemal cały czas trwania jego życia. Wszelkie inne zwierzęta osiągały ten sam efekt wyłącznie dzięki pochłanianiu na krótki czas całych komórek roślinnych. O swoim odkryciu badacze z Uniwersytetu Maine informują na łamach czasopisma Proceedings of the National Academy of Sciences.

Naukowcy zaobserwowali, że pewne gatunki grzybów zasiedliły okolice elektrowni atomowej w Czernobylu. Ziemia wokół elektrowni jest czarna od melaniny, barwnika występujących w grzybach. Arturo Casadevall, mikrobiolog z nowojorskiego Albert Einstein College of Medicine mówi, że organizmy wytwarzające melaninę korzystają ze skażenia. W wielu elektrowniach atomowych obserwowano, że radioaktywna woda była zasiedlana przez organizmy melatyczne ]zawierające duże ilości melaniny – red.] i nikt nie wiedział, co one tam robią”. Casadevall wraz z innymi naukowcami, wysunął jednak swoją teorię. Przeprowadzili oni eksperymenty na trzech gatunkach grzybów i doszli do wniosku, że gatunki zawierające melaninę absorbują energię jonizującą i w jakiś sposób zamieniają ją w użyteczny dla siebie rodzaj "ciemnej fotosyntezy”. Uczeni mówią, że tam, gdzie grzyby były poddane radiacji, gatunki ciemne rosły o wiele lepiej niż jasne. Casadevall opublikował artykuł, w którym stwierdza, że promieniowanie jonizujące zmienia strukturę elektronów melaniny i grzyby z taką naturalną ochroną, gdy są pozbawione substancji odżywczych, lepiej rozwijają się w obecności promieniowania. Obserwacje te potwierdzono na gatunkach Cladosporium sphaerospermum, Wangiella dermatitidis i Cryptococcus neoformans. Gdy badaniom poddano pozbawioną melaniny albinoską mutację Wangiella dermatitidis, to nie rozwijała się ona tak dobrze, jak ciemne odmiany. Naukowcy zwracają uwagę, że od zawsze tajemnicą było dlaczego np. trufle są ciemne. Jeśli znalazły jakiś sposób na korzystanie z promieni słonecznych lub naturalnego promieniowania otoczenia, to mogły tego użyć – stwierdza Casadevall. Z kolei biofizyk Jennifer Riesz z University of Queensland przypomina, że melanina potrafi błyskawicznie absorbować i emitować energię. Chroni ludzką skórę przed promieniowaniem słonecznym, absorbując światło ultrafioletowe i zamieniając je w energię cieplną. Zdaniem Casadevalla i jego koleżanki Ekateriny Dadachovej, w przypadku grzybów nie chodzi o ochronę, a o konwersję energii. Uważają oni, że melanina zmniejsza promieniowanie jonizujące do poziomu bezpiecznego dla grzyba, który wówczas może ją wykorzystać. Riesz podchodzi do tego sceptycznie. Jej zdaniem grzyby chronione przez melaninę są po prostu bardziej odporna na promieniowanie i dlatego rosną lepiej na skażonych terenach. Naukowcy nie są więc zgodni, ale jeśli teoria Casadevalla jest prawdziwa, grzyby mogą znaleźć niezwykłe zastosowanie. Można będzie użyć ich do produkcji ubrań chroniących przed promieniowaniem, mogłyby też z powodzeniem rosnąć w kosmosie, stanowiąc pożywienie dla astronautów. Odpowiednie manipulowanie melaniną pozwoliłoby na zwiększenie plonów roślin. Akademicy chcą teraz sprawdzić, czy melanina potrafi przetwarzać inne rodzaje promieniowania, jak np. promieniowanie elektromagnetyczne.

Hiszpańska firma Bio Fuel Systems poinformowała w czwartek (20 lipca), że opracowała metodę hodowli planktonu i uzyskiwania z niego oleju. Byłoby to niewyczerpane źródło czystego ekologicznie paliwa. Testy samochodowe oddalają się w czasie, ponieważ Bio Fuel Systems nie próbowało jeszcze rafinować ciemnozielonego surowego paliwa — oświadczył rzecznik firmy. Bio Fuel Systems jest w całości hiszpańską firmą, powstałą w tym roku we wschodniej Hiszpanii po zakończeniu 3-letnich badań przez zespół naukowców i inżynierów związanych z Uniwersytetem w Alicante. Bio Fuel Systems opracowało proces przetwarzania energii, bazujący na trzech podstawowych elementach: energii słonecznej, fotosyntezie oraz polu elektromagnetycznym — napisano w relacji prasowej. Ten proces umożliwia nam uzyskiwanie biopaliwa, ekwiwalentnego w stosunku do źródeł kopalnych. Fitoplankton, podobnie jak inne rośliny, absorbuje atmosferyczny dwutlenek węgla, zużywany podczas fotosyntezy. Naukowcy zbadali możliwość stymulowania wzrostu pojedynczych komórek roślinnych, co jednocześnie oznacza zmniejszenie stężenia CO2 w atmosferze. Dwutlenek węgla, uwalniany podczas spalania paliw kopalnych, olejów oraz gazu, jest jednym z gazów cieplarnianych. Bio Fuel Systems zapewnia, że nowe paliwo doprowadzi do zredukowania ilości CO2 w powietrzu, a ponadto jest wolne od innych zanieczyszczeń, m.in. dwutlenku siarki. Będzie także tańsze od dzisiejszych paliw. Nasz system biokonwersji jest ok. 400 razy bardziej wydajny od jakiegokolwiek bazującego na roślinach sposobu wytwarzania oleju lub etanolu — głosi oświadczenie (w odniesieniu do biopaliw uzyskiwanych np. z kukurydzy czy roślin oleistych). Stała produkcja paliwa z fitoplanktonu rozpocznie się prawdopodobnie w ciągu 14-18 miesięcy.