Quá trình quang hợp đã thúc đẩy sự sống trên hành tinh này trong hơn 3 tỷ năm - đầu tiên là trên vi khuẩn, sau đó là trên thực vật - nhưng chúng ta không biết chính xác nó diễn ra như thế nào.

Credit: CC0 Public Domain

Hiện nay, một nhà sinh lý học thuộc Đại học Michigan (U-M) và nhóm của cô đã có thể hình dung ra thời điểm một photon khởi phát bước chuyển hóa năng lượng đầu tiên của quá trình quang hợp.

Trong quá trình quang hợp, ánh sáng phát ra các phân tử sắc tố được bao bọc bên trong các protein gọi là phức hợp thu ánh sáng antena. Chính những phân tử này tạo cho cây cối có màu sắc tuyệt đẹp vào mùa Thu ở Michigan. Từ đó, năng lượng được đưa tới một protein trung tâm phản ứng quang hợp nơi bắt đầu chuyển năng lượng từ ánh sáng thông qua quá trình quang hợp. Sản phẩm cuối cùng là gì? Đó là Ô-xy và năng lượng cho sinh vật, trong trường hợp của thực vật thì sản phẩm đó là Ô-xy.

Jennifer Ogilvie, giáo sư Vật lý và Sinh lý học của U-M, đã nghiên cứu các trung tâm phản ứng quang hợp trong vi khuẩn tím. Các trung tâm này tương tự như các trung tâm phản ứng ở thực vật, ngoại trừ việc sử dụng các sắc tố khác nhau để bẫy và trích thu năng lượng từ ánh sáng. Có sáu sắc tố màu tương đối khác nhau trong các trung tâm phản ứng của vi khuẩn tím.

Ogilvie cho rằng "Trong quá trình quang hợp, kiến trúc cơ bản được nhận thấy có rất nhiều phức hợp thu ánh sáng antena làm nhiệm vụ thu năng lượng ánh sáng. Chúng được đóng gói với các sắc tố, vị trí liên quan của các sắc tố này được định vị chiến lược để hướng năng lượng đến nơi mà nó cần để thực hiện các bước đầu tiên của việc chuyển đổi năng lượng".

Các sắc tố màu khác nhau so đọ với những năng lượng khác nhau của ánh sáng và được điều chỉnh để thu được ánh sáng có giá trị cho vi khuẩn. Các sắc tố được kích thích bởi những photon kích hoạt sự chuyển hóa năng lượng trong các trung tâm phản ứng quang hợp.

Ogilvie nói "Các antena lấy năng lượng mặt trời, tạo ra một sự kích thích phân tử và bên trong trung tâm phản ứng, sự kích thích được chuyển thành sự phân tách điện tích. Chúng ta có thể tưởng tượng nó là một kiểu tương tự như pin vậy".

Các nhà khoa học trước đây chưa từng chụp được khoảnh khắc của sự phân tách điện một cách rõ ràng. Ogilvie và nhóm của cô đã có thể chụp được những bức ảnh của thời khắc này bằng một "camera" hiện đại gọi là quang phổ điện tử hai chiều.

Đặc biệt, Ogilvie và nhóm của cô đã có thể xác định rõ một trạng thái ẩn, hoặc mức năng lượng. Đây là một trạng thái quan trọng cần hiểu bởi vì nó là chìa khóa của việc tách điện tích ban đầu, hoặc thời điểm bắt đầu chuyển đổi năng lượng trong suốt quá trình quang hợp. Họ cũng có thể chứng thực trình tự của các bước dẫn đến sự tách điện tích này.

Phát hiện này là một thành tựu đặc biệt vì nó mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng nhanh không thể tưởng chỉ trong vài khắc của Picoseconds (Picoseconds là một phần của một nghìn tỷ giây, một khoảng thời gian ngắn không thể tưởng tượng được, có thể hình dung qua hình ảnh cánh của Ong mật buzzes đập 200 lần một giây). Các bước chuyển đổi năng lượng đầu tiên trong vi khuẩn tím diễn ra rất nhanh, hơn cả trước khi con Ong thậm chí còn nghĩ đến việc lấy đà vỗ cánh.

Ogilvie phát biểu "Từ tinh thể lọc tia X, chúng ta biết rõ cấu trúc của hệ thống, nhưng việc hiểu cấu trúc và dự đoán chính xác nó hoạt động như thế nào thì luôn rắc rối. Có được sự hiểu biết tốt hơn về vị trí của các mức năng lượng sẽ rất hữu ích cho việc thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của các trung tâm phản ứng quang hợp này".

Ngoài việc góp phần làm sáng tỏ sự bí ẩn của quang hợp, kết quả nghiên cứu của Ogilvie có thể giúp ích vào việc tạo ra các tấm pin mặt trời hiệu quả hơn.

Ogilvie nói “Một phần động lực của tôi trong việc nghiên cứu hệ thống quang hợp tự nhiên là vì nó cần thiết cho sự phát triển các công nghệ tiên tiến trong việc thu năng lượng mặt trời. Thêm nữa, bằng cách hiểu bản chất của thiên nhiên, hy vọng rằng từ những bài học đó, chúng ta có thể giúp định hướng sự phát triển của vật liệu cải tiến cho việc thu được ánh sáng nhân tạo”.

                                                                                    Lê Thị Kim Loan theo Phys.org