Szklane skorupy okrzemek pomagają przekształcać światło w energię w słabych warunkach

Nowe badanie ujawnia, w jaki sposób szklane skorupy okrzemek pomagają tym mikroskopijnym organizmom w fotosyntezie w słabych warunkach. Lepsze zrozumienie sposobu pozyskiwania tego fitoplanktonu i jego interakcji ze światłem może doprowadzić do udoskonalenia ogniw słonecznych, czujników i elementów optycznych.

„ Mój formularz konta Opracowany przez nas zestaw narzędzi może utorować drogę do zrównoważonych, nadających się do masowej produkcji i wydajniejszych urządzeń optycznych światło Narzędzia do zbioru Okrzemka „Można to wykorzystać w urządzeniach biomimetycznych czujników, nowych technologiach telekomunikacyjnych lub niedrogich sposobach wytwarzania czystej energii” – powiedział członek zespołu badawczego Santiago Bernal z Uniwersytetu McGill w Kanadzie.

Okrzemki są Jednokomórkowe organizmy Występuje w większości zbiorników wodnych. Ich muszle pokryte są otworami, które reagują na światło w różny sposób w zależności od ich wielkości, rozmieszczenia i składu. w dzienniku Ekspresowe materiały wizualneNaukowcy pod kierunkiem Davida V. Planta i Marka Andrewsa z McGill University donoszą o pierwszym wizualnym badaniu całej skorupy okrzemki. Przeanalizowali, w jaki sposób różne części skorupy lub odmrożenia reagują na światło słoneczne i jak ta reakcja odnosi się do fotosyntezy.

„Opierając się na naszych ustaleniach, szacujemy, że granulki mogą przyczynić się do wzrostu fotosyntezy o 9,83%, zwłaszcza podczas przejścia z silnego nasłonecznienia do słabego” – powiedział Yannick de Melo, pierwszy autor artykułu. „Nasz model jest pierwszym, który wyjaśnia zachowanie optyczne całego dołu. Dlatego przyczynia się do hipotezy, że granulka sprzyja fotosyntezie u okrzemek”.

Połączenie mikroskopii i symulacji

Okrzemki ewoluowały przez miliony lat, aby przetrwać w każdym środowisku wodnym. Obejmuje to jego skorupę, która składa się z wielu regionów, które współpracują ze sobą, aby zbierać światło słoneczne. Aby zbadać fotoreakcję pancerzyków okrzemek, naukowcy połączyli komputerowe symulacje optyczne z kilkoma technikami mikroskopowymi.

Naukowcy rozpoczęli od zobrazowania struktury fristolu przy użyciu czterech technik mikroskopii o wysokiej rozdzielczości: skanowanie bliskiego pola; mikroskop optyczny, mikroskopii sił atomowych, skaningowej mikroskopii elektronowej i mikroskopii ciemnego pola. Następnie wykorzystali te obrazy do stworzenia serii modeli, które zbudowali w celu analizy każdej części pancerza za pomocą symulacji 3D.

Korzystając z tych symulacji, naukowcy zbadali, w jaki sposób różne kolory światła słonecznego oddziałują na struktury i zidentyfikowali trzy podstawowe mechanizmy pozyskiwania energii słonecznej: wychwytywanie, redystrybucja i retencja. Takie podejście pozwoliło im połączyć różne aspekty optyczne otworka i pokazać, w jaki sposób współpracują ze sobą, aby pomóc w fotosyntezie.

„Użyliśmy różnych symulacji i technik mikroskopowych, aby zbadać każdy element z osobna” – powiedział de Mello. „Następnie wykorzystaliśmy te dane do zbudowania badania interakcji światła ze strukturą, od momentu przechwycenia, do miejsca, w którym jest rozprowadzane, jak długo jest zatrzymywane, do momentu, w którym prawdopodobnie zostanie pochłonięte przez komórka.”

Promuj fotosyntezę

Badanie ujawniło, że długości fal, z którymi reagował płaszcz, zbiegły się z tymi, które pochłaniał podczas fotosyntezy, co sugeruje, że mógł ewoluować, aby pomagać w wychwytywaniu światła słonecznego. Naukowcy odkryli również, że różne obszary granulki mogą redystrybuować światło, które ma zostać wchłonięte przez komórkę. Wskazuje to, że otoczka ewoluowała, aby zwiększyć ekspozycję komórki na światło otoczenia. Ich odkrycia wskazują również, że światło krąży w granulkach wystarczająco długo, aby wspomóc fotosyntezę w okresach przejścia od wysokiego do słabego oświetlenia.

Nowy model frustule może umożliwić hodowlę gatunków okrzemek, które zbierają światło o różnych długościach fal, umożliwiając ich dostosowanie do określonych zastosowań. „Mechanizmy zbierania światła z okrzemek można wykorzystać do poprawy absorpcji paneli słonecznych, umożliwiając gromadzenie się światła słonecznego pod większymi kątami, częściowo eliminując w ten sposób zależność panelu od bezpośredniego kontaktu ze słońcem” – powiedział Bernal.

Naukowcy ulepszają teraz swój model i planują zastosować nowy zestaw narzędzi do badania innych rodzajów okrzemek. Następnie planują rozszerzyć model poza interakcje światła w ramach pojedynczego mrozu, aby zbadać zachowania wielu motyli.

Naukowcy zauważają, że ta praca jest hołdem dla ich kolegi Dana Petrescu, który zmarł w zeszłym roku. Badania nie byłyby możliwe bez jego wizji, pomocy i poświęcenia.