Fotosyntes, processen genom vilken växter och andra organismer omvandlar solljus till kemisk energi, har varit en stor aktör under livets utveckling och vår planets atmosfär. Även om de flesta ins och outs av fotosyntes är förstått, hur de nödvändiga mekanismerna utvecklats är fortfarande ett ämne för debatt. Svaret på denna fråga, dock, kan faktiskt ligga begravd i mineralvärlden.

I en ny studie publicerad i Earth Science Frontiers , forskare från Peking University, Kina, flyttade fokus i fotosyntesforskning från växter och bakterier ett steg längre tillbaka till stenar och ämnen som finns i det som kallas "mineralmembranet" på jorden. De föreslår att olika komponenter i detta relativt tunna lager, som birnessit, goethite, och hematit, kan också absorbera energi från solljus och kanalisera den till kemiska reaktioner. Men hur händer detta?

Dessa halvledande mineraler är känsliga för specifik våglängd av solljus. När de absorberar fotoner, elektroner i lägre energitillstånd (valensband) är upphetsade att hoppa in i högre energitillstånd (ledningsband). Fotoelektronerna har tillräcklig energi för att driva reduktionsreaktioner som annars skulle kräva extern energi.

Förvånande, denna icke-klassiska fotosyntesmekanism som förekommer i utbredda halvledande mineraler kan katalysera reaktioner som liknar de i biologisk fotosyntes som finns i cyanobakterier. Till exempel, vissa mineraler kan främja syreutveckling (bildning av dioxygenmolekyler) och kolfixering (producera organiska föreningar med kolatomer från oorganiska källor). Dessutom, dessa mineraler kan till och med fungera som fotokatalysatorer för vattensplittring, som producerar väte och syre från vatten, och omvandling av atmosfärisk koldioxid till marina karbonatprodukter. Dessa processer kombinerade kan ha spelat en transformativ roll genom hela den primitiva jorden, orsakar märkbara förändringar i atmosfäriska och marina förhållanden för att främja utvecklingen av tidiga livsformer.

Viktigast, forskarna noterade att birnessit strukturellt liknar "Mn ₄ CaO ₅ komplex i kärnan i fotosyntessystemen hos moderna organismer. Denna manganhaltiga förening, som utför vattenklyvning vid absorberande solljus, kan faktiskt ha utvecklats som en analog till birnessit. Huvudförfattaren Dr Anhuai Lu förklarar, "Vårt arbete inom detta nya forskningsfält om mekanismerna för interaktion mellan ljus, mineraler, och livet avslöjar att mineraler och organismer faktiskt är oskiljaktiga. "Forskarna antar att primitiva bakterier skulle ha varit beroende av mineraler som birnessit för att först omvandla solljus till användbar kemisk energi, innan de långsamt införlivar strukturella analoger i sina cellkroppar under hela utvecklingen.

En bättre förståelse av icke-klassisk fotosyntes hjälper forskare att upptäcka mysterierna bakom livets utveckling och den kemiska sammansättningen av vår planet som vi känner den. Ur en mer praktisk synpunkt, det kommer också att hjälpa till att utveckla effektiva metoder för att skörda solenergi. "Vi kan använda mineralisk fotokatalys för att främja splittring av vatten, därigenom förbättra effektiviteten hos biofotosyntessystem och leda till revolutionerande teknik, "säger Dr. Lu.

Från framsteg i miljövänliga applikationer till en djupare kunskap om livets historia, det är klart att det finns mycket att vinna på att studera de naturliga interaktionerna mellan solljus och mineraler. I motsats till vad det gamla ordspråket säger, det verkar fortfarande vara många nya saker under solen!