Стекловидные панцири диатомовых водорослей помогают превращать свет в энергию в условиях недостаточной освещенности.

Новое исследование показало, как стекловидные оболочки диатомовых водорослей помогают этим микроскопическим организмам осуществлять фотосинтез в темных условиях. Лучшее понимание того, как этот фитопланктон собирает и взаимодействует со светом, может привести к улучшению солнечных элементов, сенсорных устройств и оптических компонентов.

” вычислительная модель и набор инструментов, который мы разработали, может проложить путь к массовому производству, устойчивым оптическим устройствам и более эффективным легкий инструменты для уборки урожая, основанные на диатомовая водоросль оболочки», — сказал член исследовательской группы Сантьяго Бернал из Университета Макгилла в Канаде. «Это может быть использовано для биомиметических устройств для датчиков, новых телекоммуникационных технологий или доступных способов получения чистой энергии».

Диатомовые водоросли одноклеточные организмы встречается в большинстве водоемов. Их раковины покрыты отверстиями, которые по-разному реагируют на свет в зависимости от их размера, расстояния между ними и конфигурации. В журнале Оптические материалы Экспресс, исследователи во главе с Дэвидом В. Плантом из Университета Макгилла и Марком Эндрюсом сообщают о первом оптическом исследовании всей раковины диатомовой водоросли. Они проанализировали, как различные участки раковины или панциря реагируют на солнечный свет и как эта реакция связана с фотосинтезом.

«Основываясь на наших выводах, мы подсчитали, что панцирь может способствовать повышению фотосинтеза на 9,83 процента, особенно при переходе от сильного к слабому солнечному свету», — сказал Янник Д’Мелло, первый автор статьи. «Наша модель является первой, которая объясняет оптическое поведение всего панциря. Таким образом, она способствует гипотезе о том, что панцирь усиливает фотосинтез у диатомовых водорослей».

Сочетание микроскопии и моделирования

Диатомовые водоросли эволюционировали миллионы лет, чтобы выжить в любой водной среде. Это включает в себя их оболочку, которая состоит из многих областей, которые работают вместе, чтобы собирать солнечный свет. Чтобы изучить оптический отклик панцирей диатомовых водорослей, исследователи объединили компьютерное оптическое моделирование с несколькими методами микроскопии.

Исследователи начали с визуализации архитектуры панциря, используя четыре метода микроскопии высокого разрешения: сканирование ближнего поля оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия и микроскопия темного поля. Затем они использовали эти изображения для создания серии моделей, которые они построили для анализа каждой части панциря с помощью трехмерного моделирования.

Используя эти симуляции, исследователи изучили, как разные цвета солнечного света взаимодействуют со структурами, и определили три основных механизма сбора солнечной энергии: захват, перераспределение и удержание. Этот подход позволил им объединить различные оптические аспекты панциря и показать, как они работают вместе, чтобы способствовать фотосинтезу.

«Мы использовали различные методы моделирования и микроскопии для изучения каждого компонента по отдельности», — сказал Д’Мелло. «Затем мы использовали эти данные, чтобы построить исследование того, как свет взаимодействует со структурой, с момента его захвата до того, как он распределяется после этого, как долго он сохраняется и до того момента, когда он, вероятно, будет поглощен клеткой. .”

Повышение фотосинтеза

Исследование показало, что длины волн, с которыми взаимодействовала оболочка, совпадали с длинами волн, поглощаемыми во время фотосинтеза, что позволяет предположить, что она могла эволюционировать, чтобы улавливать солнечный свет. Исследователи также обнаружили, что различные области панциря могут перераспределять свет, который поглощается клеткой. Это говорит о том, что оболочка эволюционировала, чтобы максимизировать воздействие окружающего света на клетку. Их результаты также показали, что свет циркулирует внутри панциря достаточно долго, чтобы способствовать фотосинтезу в периоды перехода от высокой освещенности к низкой.

Новая модель панциря может позволить выращивать виды диатомовых водорослей, которые собирают свет на разных длинах волн, что позволяет настраивать их для конкретных приложений. «Эти светособирающие механизмы диатомовых водорослей можно использовать для улучшения поглощения солнечных панелей, позволяя собирать солнечный свет под большим углом, тем самым частично устраняя зависимость панели от прямого взгляда на солнце», — сказал Бернал.

В настоящее время исследователи работают над усовершенствованием своей модели и планируют применить новый инструментарий для изучения других видов диатомовых водорослей. После этого они планируют расширить модель за пределы световых взаимодействий внутри одной панциря, чтобы изучить поведение между несколькими панцирями.

Исследователи отмечают, что эта работа посвящена памяти их коллеги Дэна Петреску, который скончался в прошлом году. Исследование было бы невозможным без его понимания, помощи и самоотверженности.