Природа преподнесла человечеству новый урок эффективного использования энергии солнца. В строматолитах обнаружена новая разновидность хлорофилла (уже пятая по счёту), которая поглощает солнечный свет в красной и инфракрасной частях спектра.
Строматолиты — одна из самых примитивных форм жизни, возникшая около 3,4 млрд лет назад. Их слоистые структуры сформированы отложениями, захваченными цианобактериями. В ходе эволюции они очень сильно пострадали от животных, которым ничто не мешало лакомиться беззащитными водорослевыми матами, и в настоящее время встречаются редко — там, где нет врагов, в том числе в очень солёной воде залива Шарк на северо-западе штата Западная Австралия.
Минь Чэнь (Min Chen) из Сиднейского университета (the University of Sydney in Australia) и её коллеги отправились на поиски интересных хлорофиллов в строматолитах, потому что вода и отложения, в которых они живут, отфильтровывают бóльшую часть видимого света, достигающего цианобактерий. Учёные заподозрили, что сине-зелёным водорослям пришлось научиться поглощать инфракрасное излучение.
Их предчувствие оправдалось, но вместо знакомого хлорофилла они обнаружили совершенно новый тип — хлорофилл F, производимый пока ещё безымянной нитевидной бактерией.
Это открытие должно помочь солнечной энергетике, ведь больше половины солнечного света приходится на инфракрасный диапазон. Идёт работа над тем, чтобы фотоэлектрические панели могли абсорбировать свет за пределами красного цвета. «Если природа смогла добиться этого с помощью довольно простых изменений в хлорофилле, то почему бы нам не научиться у неё?» — вопрошает г-жа Чэнь.
Шугуан Чжан (Shuguang Zhang) из Массачусетского технологического института (США) (Massachusetts Institute of Technology) считает, что он и его коллеги могут сделать больше — использовать хлорофилл напрямую. В своей предыдущей работе г-н Чжан предложил солнечные элементы на основе белков листьев шпината — так называемой фотосистемы I. Они состоят из двухсот молекул хлорофилла, которые с помощью фотонов высвобождают электроны и превращают углекислый газ в сахар.
Если электрон не удалось сразу забрать из фотосистемы для использования в солнечной батарее, он рекомбинирует с дырой — областью положительного заряда, которую он оставил позади, — и переизлучает новый фотон. Но в устройстве Чжана к фотосистеме прикреплён полупроводниковый нанопровод, который помещает электрон в металл, позволяя фотосистеме I генерировать электрический ток.
Джеймс Барбер (James Barber) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) (Imperial College London) считает, что добавление различных типов хлорофилла к такого рода солнечным батареям имеет смысл. Шугуан Чжан (Shuguang Zhang) соглашается: «Это похоже на более широкую сеть, с помощью которой можно поймать больше рыбы». Сейчас он работает вместе с Михаэлем Гретцелем (Michael Grätzel) из Швейцарского федерального технологического института (the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne), известным разработчиком недорогих цветосенсибилизированных солнечных батарей, в которых неорганические молекулярные красители поглощают свет таким же образом, что и хлорофилл. Пара хочет понять, можно ли в этом устройстве применить фотосистемы сине-зелёных водорослей.
Открытие нового хлорофилла имеет также важное значение с точки зрения науки об эволюции: анаэробные бактерии, которые доминировали на молодой Земле, поглощали свет в инфракрасном диапазоне, а сегодняшние кислородные бактерии, как правило, живут в видимом спектре. «Примеров промежуточных организмов, которые поглощают свет в диапазоне 700–800 нм, очень немного», — подчёркивает г-н Барбер.