Как и зачем развиваются технологии искусственного фотосинтеза
Природные праноеды, Акинфеев против фотосистемы-1,бактерии-хиппи и бактерии в доспехах, псевдокубы, искусственные листья и деревья, гонки растений и ученых, биология как величайший в мире химик и фотосинтез как он есть — в обстоятельном обзоре.
Запасы нефти не вечны, и мы уже писали об альтернативных способах получения углеводородов. Особняком в списке этих способов стоит искусственный фотосинтез — выработка органического горючего из углекислого газа с помощью солнечной энергии.
Природное праноедение
Нас повсюду окружают настоящие праноеды, что бы ни говорили здравый смысл и врачи. Основная их пища — вода и воздух, соль земли и, конечно, энергия космоса. Солнечный луч, немного веществ из почвы, углекислый газ — и они чувствуют себя отлично. Каждый из вас видел таких, и не одного. Возможно, праноеды прямо сейчас находятся рядом с вами — стоят в горшке на подоконнике или стучат веткой в окно.
Легко догадаться, что речь идет о растениях. Им (а также некоторым бактериям) удается из воды (H₂O), углекислого газа (СO₂) и кванта солнечного света получать органику, углевод глюкозу (C₆H₁₂O₆), и энергию с помощью фотосинтеза. Если вы знаете этот процесс в деталях, можете пропустить эту и следующую главки и перейти к описанию достижений науки в области искусственного фотосинтеза, а если нет — самое время разобраться.
Фотосинтез чаще всего происходит в хлоропластах. Хотя, если вы бактерия и у вас их нет, еще не все потеряно (правда, в таком случае фотосинтез для вас может быть бескислородным, так что Гринпис вас бы не похвалил). Хлоропласты — «электростанции» растительной клетки, окруженные двухслойной оболочкой-мембраной. Ученые считают, что они произошли от цианобактерий, которых поглотила какая-то древняя клетка с ядром, но не стала расщеплять, а вступила с ними в симбиоз. Внутри хлоропластов есть стопки плоских мембранных мешочков-тилакоидов (само это слово происходит от греческого thylakos — «мешочек»). Эти стопки называются гранами (что на латыни означает «стопка монет»), и они соединены между собой более длинными тилакоидами — ламеллами.
В мембраны тилакоидов встроены специальные пигменты — хлорофиллы нескольких типов, которые имеют зеленую окраску, так как отражают зеленый свет, а сине-фиолетовый и красный поглощают. «Головка» молекулы хлорофилла содержит атом магния и развернута в сторону водной среды, а «хвост», напротив, гидрофобный («боится» воды) и держит молекулу в мембране. Хлорофиллы организованы в фотосистемы I или II типа, отличающиеся предпочтениями к свету определенного спектра и длины волны (оптимум второй системы смещен в более красную область и составляет 700 нм, а первой — 680 нм). В центре каждой фотосистемы расположена молекула хлорофилла a, которой остальные молекулы хлорофилла в фотосистеме, называемые антенными, как хорошему нападающему, передают пасы — уловленные ими кванты света.
Хлорофилл эффективнее Акинфеева, но этого мало
Первая фаза фотосинтеза проходит на свету, поэтому ее называют световой. Кванты света возбуждают электроны хлорофилла, которые из-за этого покидают молекулу и «убегают» на внешнюю сторону мембраны тилакоида. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, место, где они скопились, становится отрицательно заряженным. Без электронов хлорофиллы долго не скучают — они отбирают их у воды, которая из-за этого распадается на OH⁻ и H⁺ (протоны, положительно заряженные частицы), а затем — на водород и воду. В итоге кислород выделяется, а протоны накапливаются внутри тилакоидов.
Как мы помним, снаружи тилакоиды из-за электронов заряжены отрицательно, а положительный и отрицательный заряды притягиваются. Чтобы соединиться с желанными электронами, протоны H⁺ должны пройти через белок-канал в мембране, который называется АТФ-синтаза. Падая на него, они как бы вращают турбину, помогая АТФ-синтазе оправдывать свое название и из АДФ (аденозиндифосфорной кислоты) синтезировать АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту), главную форму хранения энергии в клетке, которая при отщеплении от нее фосфатов (всего их три, поэтому АТФ так и называется) выделяет много энергии. Затем атомы водорода, которые наконец соединились с электронами, принимает на себя специальный переносчик, который сокращенно называется НАДФ (в полном варианте — никотинамидадениндинуклеотидфосфат, но в большинстве случаев заучивание этого слова может пригодиться только для того, чтобы повергать в трепет особенно впечатлительных знакомых).
В темновой фазе, которая может происходить и без участия света, углекислый газ превращается в глюкозу и другие органические вещества. Сначала CO₂ фиксируется пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом) под действием фермента (рибулозобифостфат-карбоксилазы), образуя неустойчивое шестиуглеродное соединение. Оно сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, содержащей три молекулы углерода. Затем следует цикл реакций, называемый циклом Кальвина, в ходе которого используются АТФ и НАДФ*Н2, которые были накоплены в световой фазе.
К чему был этот пространный рассказ? В каждой из этих фаз происходят большие потери энергии, что сильно снижает эффективность природного фотосинтеза как процесса. При поглощении энергии фотонов (с учетом того, что улавливаются не все фотоны и только часть светового потока проходит через фотосинтезирующие части листа) теряется около 63% энергии. Это не так уж и мало. Можно продолжить аналогию между работой фотосистем и игрой в футбол, назвав хлорофилл a вратарем квантов (кстати, в России даже есть любительский футбольный клуб таким с названием — в наукограде Обнинске). Если для облегчения подсчетов очень грубо снизить вероятность голов до одного на матч, хлорофилл все равно улавливает фотоны на 22,2% лучше, чем российский вратарь Игорь Акинфеев — мячи.
Часть энергии фотонов (квантов света) теряется из-за принципа каравана, когда высокоэнергетические фотоны поглощаются заодно с низкоэнергетическими. 9% от общего количества энергии теряется при синтезе глюкозы, затем еще 3% тратится на очистку листа от побочных продуктов фотосинтеза.
Ростки зеленых технологий
Ученые ищут пути получения систем, которые были бы более продуктивны, чем растения, чтобы получать подходящее горючее (и даже не требуют изменений инфраструктуры заправок и фундаментальной перестройки автомобильной промышленности), при создании которого промышленность будет приносить пользу окружающей среде, перерабатывая накапливающийся в атмосфере углекислый газ.
Технологии, которые позволяют синтезировать топливо из углекислого газа без вмешательства живых организмов, часто основаны на рутениевом катализаторе, который был открыт в 2014 году. Этот катализатор позволяет синтезировать метан (CH₄; важнейший компонент природного газа) из водорода (H₂) и углекислого газа (CO₂), однако скорость синтеза — всего один миллимоль метана на грамм катализатора в час. Этим летом химики из Базеля даже предложили вставлять атомы рутения в сложные надмолекулярные структуры, которые будут «присматривать» за ценным катализатором и чинить его, оберегая от полного разрушения, но эффективность катализатора все еще оставляет желать лучшего.
Другой путь — использование природных белков-пигментов фотосистемы I в солнечных батареях. В клетке эти белки, как мы уже писали, находятся в липидной мембране. Она помогает фотосистеме I «держать строй» и выступает «изоляцией». Заменить эту мембрану предлагают пептидом — короткой цепочкой из шести аминокислот-аланинов и одной аминокислоты лизина. Улучшить поглощение света такой батареей помогают нанопокрытия — ряды стержней из оксида цинка или губчатые структуры из оксида титана. Однако эти технологии пока не вышли на уровень, когда коммерческое производство становится целесообразным. К тому же они помогают получать электричество, а не топливо, что менее эффективно и потребует преобразования всей инфраструктуры, если мы вдруг захотим перейти на электромобили.
Поэтому сейчас ученые все больше склоняются к гибридным технологиям, использующим живые одноклеточные организмы (как ни странно, обычно нефотосинтезирующие, но умеющие фиксировать CO₂) для синтеза органических соединений, которые можно легко переработать в топливо.
Продолжение читайте здесь.
Автор: Екатерина Мищенко