Fotosynthese, het proces waarbij planten en andere organismen zonlicht omzetten in chemische energie, is een belangrijke speler geweest tijdens de evolutie van het leven en de atmosfeer van onze planeet. Hoewel de meeste ins en outs van fotosynthese worden begrepen, hoe de noodzakelijke mechanismen zijn geëvolueerd, is nog steeds een onderwerp van discussie. Het antwoord op deze vraag, echter, kan zelfs begraven liggen in de minerale wereld.

In een recente studie gepubliceerd in Aardwetenschappelijke grenzen , wetenschappers van de Universiteit van Peking, China, verlegde de focus in fotosynthese-onderzoek van planten en bacteriën een stap verder terug naar rotsen en stoffen die worden gevonden in wat bekend staat als het "mineraalmembraan" van de aarde. Ze stellen voor dat verschillende componenten van deze relatief dunne laag, zoals birnessiet, goethiet, en hematiet, kan ook energie van zonlicht absorberen en het in chemische reacties kanaliseren. Maar hoe gebeurt dit?

Deze halfgeleidende mineralen zijn gevoelig voor specifieke golflengten van zonlicht. Als ze fotonen absorberen, elektronen in lagere energietoestanden (valentieband) worden opgewonden om naar hogere energietoestanden te springen (geleidingsband). De foto-elektronen hebben voldoende energie om reductiereacties aan te sturen die anders externe energie zouden vereisen.

Verrassend genoeg, dit niet-klassieke fotosynthesemechanisme dat voorkomt in wijdverbreide halfgeleidende mineralen, kan reacties katalyseren die lijken op die in biologische fotosynthese die in cyanobacteriën worden aangetroffen. Bijvoorbeeld, bepaalde mineralen kunnen zuurstofontwikkeling (vorming van dizuurstofmoleculen) en koolstoffixatie (productie van organische verbindingen met behulp van koolstofatomen uit anorganische bronnen) bevorderen. Bovendien, deze mineralen kunnen zelfs fungeren als fotokatalysatoren voor het splitsen van water, die waterstof en zuurstof uit water produceert, en de omzetting van atmosferisch koolstofdioxide in mariene carbonaatproducten. Deze gecombineerde processen hebben mogelijk een transformerende rol gespeeld op de primitieve aarde, het veroorzaken van merkbare veranderingen in atmosferische en mariene omstandigheden om de evolutie van vroege levensvormen te bevorderen.

Het belangrijkste is, de wetenschappers merkten op dat birnessiet structureel vergelijkbaar is met de "Mn ₄ CaO ₅ complex vormt de kern van de fotosynthesesystemen van moderne organismen. Deze mangaanbevattende verbinding, die water splitst bij het absorberen van zonlicht, kan eigenlijk zijn geëvolueerd als een analoog aan birnessiet. Hoofdauteur Dr. Anhuai Lu legt uit:"Ons werk in dit nieuwe onderzoeksgebied over de mechanismen van interactie tussen licht, mineralen, en het leven onthult dat mineralen en organismen eigenlijk onafscheidelijk zijn." De wetenschappers stellen dat primitieve bacteriën in eerste instantie afhankelijk zouden zijn geweest van mineralen zoals birnessiet om zonlicht om te zetten in bruikbare chemische energie, voordat ze gedurende de evolutie langzaam structurele analogen in hun cellichamen opnemen.

Een beter begrip van niet-klassieke fotosynthese zal wetenschappers helpen de mysteries achter de evolutie van het leven en de chemische samenstelling van onze planeet zoals wij die kennen te ontrafelen. Vanuit een meer praktisch oogpunt, het zal ook helpen bij de ontwikkeling van efficiënte methoden voor het oogsten van zonne-energie. "We kunnen minerale fotokatalyse gebruiken om watersplitsing te bevorderen, daardoor de efficiëntie van biofotosynthesesystemen verbeteren en leiden tot revolutionaire technologieën, " merkt Dr. Lu op.

Van vooruitgang in milieuvriendelijke toepassingen tot een diepere kennis van de geschiedenis van het leven, het is duidelijk dat er veel te winnen valt bij het bestuderen van de natuurlijke interacties tussen zonlicht en mineralen. In tegenstelling tot hoe het oude gezegde luidt, er lijkt nog veel nieuws onder de zon te zijn!