Ist vielleicht ein bestimmtes Gen beteiligt? Wäre man in der Lage, ein Bakterium gentechnisch zu manipulieren, um Wasser zu oxidieren und schneller Elektronen zu erzeugen? Ich spreche von diesem biologischen Problem in Bezug auf eine Anwendung auf Solarzellen.
Bearbeiten: Ich frage nicht nach der Existenz eines Gens, das für die Photosynthese verantwortlich ist, ich frage, warum einige exoelektrogene Bakterien Elektronen beim Elektronentransport effizienter produzieren können als andere. Gibt es dafür einen Grund, der auf ein bestimmtes Gen zurückzuführen ist, das bestimmte Exoelektrogene anderen überlegen macht?
Sie können dies als tatsächliche Antwort auf Ihre gesamte Frage betrachten oder auch nicht, aber es ist dennoch interessant.
Ein befreundeter Physiker hat kürzlich einige Arbeiten durchgeführt, um die Quantendynamik photosynthetischer Komplexe und ihre Kopplungskonstanten für den Energiedurchgang durch das Photosystem zu modellieren. Seine Ergebnisse zeigten, dass (und ich glaube, dies stimmt mit der Literatur überein), dass photosynthetische Systeme tatsächlich so effizient sind, wie es nur möglich ist (nicht nur das, sie sind meines Erachtens die effizientesten energetischen Systeme, die der Menschheit bekannt sind - über etwas wie ~90% Effizienz).
Wenn Sie beginnen, die Positionen von Chromophoren usw. zu ändern, zeigen die Photosysteme eine bemerkenswerte Robustheit und Sie erhalten einen mehr oder weniger logistischen Abfall der Effizienz (dh das Entfernen von einem oder zwei Chromophoren führt zu geringfügigen Verringerungen der Effizienz, noch dazu zu einer erheblich stärkeren Schwächung, bis letztendlich wird seine Wirksamkeit deutlich verringert, aber eine weitere Manipulation hat ein Plateau in der Wirksamkeitsverringerung).
Ein Großteil der Arbeiten zur Quantenbiologie von Photosystemen betraf den FMO-Komplex (Fenna-Matthews-Olson), bei dem es sich um ein vereinfachtes Modellsystem aus photosynthetischen Algen handelt. Möglicherweise finden Sie detailliertere Antworten auf Ihre Fragen, indem Sie in diesem Bereich nachlesen .
Was genetisch erkaufte Diskrepanzen in der photosynthetischen Wirksamkeit betrifft, so gibt es Theorien, die darauf hindeuten, dass sich die Organismen tatsächlich selbst schützen. ZB um eine Überproduktion von ROS-Spezies zu vermeiden. Ich kann Ihnen dafür jedoch nicht viel in Form eines gut belegten Falls anbieten, es ist nur ein Gespräch, das ich kürzlich mit einem Postdoktoranden bei der Arbeit geführt habe, der seine Doktorarbeit über photosynthetische Cyanobakterien abgeschlossen hat.
BEARBEITEN Hier ist einer der Artikel über Optimalität in der FMO:
Die Antwort von @ Joe Healey ist großartig, aber ich möchte das Thema näher erläutern, nachdem ich zuvor eine gründliche Literaturrecherche zu diesem Thema durchgeführt habe.
Bevor wir das tun, möchte ich einige Missverständnisse ausräumen, die Sie bezüglich des Elektronentransfers zu haben scheinen. Genau wie @stords sagte, werden während der Photosynthese keine Elektronen erzeugt. Woher es kommt, ist die durch das Reaktionszentrum vermittelte Oxidation von Wasser. Das Reaktionszentrum ist Teil des Photosystems, das alle lichtabhängigen Teile der Reaktionen enthält. Die Oxidation wird durch den Sauerstoff entwickelnden Komplex durchgeführt . Dieser Prozess der Oxidation ist nicht sehr gut verstanden. Die meisten photosynthetischen Bakterien enthalten jedoch ähnliche Komplexe. Beachten Sie, dass grüne Schwefelbakterien kein H2O zur Oxidation verwenden, sondern H2S.
Reaktionszentrum
Nun, bei den lichtabhängigen Reaktionen haben wir einen sogenannten Lichtsammelkomplex, der viele Pigmente enthält, die Licht absorbieren und angeregt werden. Die Pigmente übertragen dann die Energie auf das Reaktionszentrum, das auch die Elektronen aus der Oxidation erhält. Wenn also die Energie von der Antenne das Reaktionszentrum erreicht, regt die Energie das Elektron auf ein höheres Energieniveau an. Dieses Elektron mit höherer Energie wird auf die Elektronentransportkette übertragen , wo es verschiedene Elektronenakzeptoren reduziert und dabei die freigesetzte Energie nutzt, um Elektronen zu pumpen, um einen Protonengradienten zu erzeugen. Dieser Protonengradient wird zur Herstellung von ATP verwendet. Auch bei Bakterien ist der Vorgang sehr ähnlich. Die genauen Details können hier nachgelesen werden
Anregungseffizienz
Nun, um Ihre Frage zu beantworten, was wirklich die Effizienz des Elektronentransfers bestimmt, ist eigentlich der Energietransfer, der im Lichtsammelkomplex (LHC) stattfindet. Nun, verschiedene Organismen haben unterschiedliche Mechanismen, aber alle Wissenschaftler sind sich einig, dass dahinter eine gewisse Quantenmechanik steckt. In der folgenden Diskussion beziehe ich mich auf die Dynamik des FMO-Komplexes, des Antennenkomplexes, der in den grünen Schwefelbakterien gefunden wurde und häufig verwendet wird, um die quantenmechanischen Wechselwirkungen der Energieübertragung zu untersuchen.
Wenn wir nun diese Energieübertragung von einem Pigmentmolekül (Chlorophyll in Pflanzen, Bakteriochlorophyll a in grünen Schwefelbakterien) haben, nennen wir es ein Exziton. Dieses Exziton ist ein quantenmechanischer Zustand. Nun, in der Quantenmechanik gibt es ein Konzept namens Superposition. Grundsätzlich bedeutet Superposition, dass ein einzelner quantenmechanischer Zustand aus mehreren Zuständen zusammengesetzt ist. Wenn wir im Fall des Lichtsammelkomplexes sagen, dass sich das Exziton in einer Überlagerung befindet, bedeutet dies, dass die Energie auf allen möglichen Wegen von einem Pigment zum Reaktionszentrum wandern kann, und wenn der beste Weg gefunden ist, der Wechselwirkungen im Komplex bewirken, dass der Zustand in den besten Zustand kollabiert. So erfolgt die Energieübertragung in weniger als 1 ns!
Diese Dynamik ist sehr kompliziert und sehr überraschend, da diese quantenmechanische Dynamik in einem offenen System stattfindet. Typischerweise ist es aufgrund von etwas, das als Dekohärenz bekannt ist, sehr schwierig, die quantenmechanische Dynamik zu beobachten. Dies ist der Fall, wenn ein gemischter (Überlagerungs-)Zustand in einen Zustand zusammenfällt. Interessanterweise nutzt der Komplex jedoch diese Dekohärenz, um auf dem besten Weg für das Exziton zu kollabieren, um das Reaktionszentrum zu erreichen.
Dieses Feld ist sehr interessant. Wenn Sie Fragen haben, hinterlassen Sie bitte einen Kommentar. Ich bin bei diesem Thema etwas eingerostet, aber ich interessiere mich sehr für dieses Thema. Wenn Sie weitere Beispiele für Quantenmechanik in der Biologie sehen möchten, schlagen Sie unter „Quantenbiologie“ nach. Die Quantenbiologie ist ein neues Gebiet, das die Schnittmenge von Quantenmechanik und Biologie untersucht.
Verweise:
Schwingungselektronische Kopplung: Vos et al. ist höchstwahrscheinlich, aber einige haben eine Quantenverschränkung vorgeschlagen, die großartig wäre, wenn photosynthetische Organismen bei kryogenen Temperaturen wachsen würden.
lagert
ein weiterer 'Homo sapien'
Immer verwirrt
TanMath