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Les coquilles semblables à du verre des diatomées aident à convertir la lumière en énergie dans des conditions sombres

Une nouvelle étude optique révèle comment les coquilles vitreuses des diatomées aident ces organismes unicellulaires à photosynthétiser même dans des conditions sombres. Leurs coquilles contiennent des trous qui modifient le comportement de la lumière en fonction de leur taille, de leur espacement et de leur composition. Crédit : Santiago Bernal, Université McGill

Une nouvelle étude révèle comment les coquilles vitreuses des diatomées aident ces organismes microscopiques à effectuer la photosynthèse dans des conditions sombres. Une meilleure compréhension de la façon dont ces phytoplanctons sont récoltés et comment ils interagissent avec la lumière pourrait conduire à l’amélioration des cellules solaires, des capteurs et des composants optiques.


« La Mon formulaire de compte Et la boîte à outils que nous avons développée pourrait ouvrir la voie à des dispositifs optiques durables, manufacturables en masse et plus efficaces lumière Outils de récolte Diatomée « Cela pourrait être utilisé dans des dispositifs biomimétiques de capteurs, de nouvelles technologies de télécommunications ou des moyens abordables de produire de l’énergie propre », a déclaré Santiago Bernal, membre de l’équipe de recherche de l’Université McGill au Canada.

Les diatomées sont Organismes unicellulaires On le trouve dans la plupart des plans d’eau. Leurs coquilles sont couvertes de trous qui réagissent différemment à la lumière selon leur taille, leur espacement et leur composition. dans la revue Matériel visuel ExpressDes chercheurs dirigés par David V. Plant et Mark Andrews de l’Université McGill rapportent la première étude visuelle de la coquille entière d’une diatomée. Ils ont analysé comment différentes sections de la croûte, ou gelures, réagissent à la lumière du soleil et comment cette réponse est liée à la photosynthèse.

« Sur la base de nos découvertes, nous estimons que les granules pourraient contribuer à une augmentation de 9,83 % de la photosynthèse, en particulier lors de la transition d’un ensoleillement élevé à un faible ensoleillement », a déclaré Yannick de Melo, premier auteur de l’article. « Notre modèle est le premier à expliquer le comportement optique de l’ensemble de la fosse. Par conséquent, il contribue à l’hypothèse selon laquelle le granule favorise la photosynthèse chez les diatomées. »

Les chercheurs ont combiné différentes simulations et techniques de microscopie pour examiner chaque composant de la coquille individuellement. Cela a été utilisé pour étudier comment la lumière interagit avec la structure depuis le moment où elle est captée jusqu’au moment où elle est susceptible d’être absorbée par la cellule. Crédit : Santiago Bernal, Université McGill

Microscopie et simulation combinées

Les diatomées ont évolué pendant des millions d’années pour survivre dans n’importe quel environnement aquatique. Cela inclut sa coquille, qui est composée de nombreuses régions qui travaillent ensemble pour récolter la lumière du soleil. Pour étudier la photoréponse des frustules de diatomées, les chercheurs ont combiné des simulations optiques informatiques avec plusieurs techniques de microscopie.

Les chercheurs ont commencé par imager la structure du fristol à l’aide de quatre techniques de microscopie à haute résolution : balayage en champ proche ; microscope optique, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage et microscopie à fond noir. Ils ont ensuite utilisé ces images pour informer une série de modèles qu’ils ont construits pour analyser chaque partie du frustule via une simulation 3D.

Les coquilles semblables à du verre des diatomées aident à convertir la lumière en énergie dans des conditions sombres

La réponse visuelle de la portion de queue à une coquille de diatomée est montrée. L’image de gauche montre la courbure effilée de la queue. L’image du milieu montre le profil de la lumière confinée qui se propage longitudinalement le long du givre, et l’image de droite montre le spectre de transmission à différents points de la queue comme le montre l’image de gauche. Crédit : Santiago Bernal, Université McGill

À l’aide de ces simulations, les chercheurs ont examiné comment différentes couleurs de lumière solaire interagissent avec les structures et ont identifié trois mécanismes principaux de récupération de l’énergie solaire : la capture, la redistribution et la rétention. Cette approche leur a permis de combiner les différents aspects optiques du sténopé et de montrer comment ils fonctionnent ensemble pour aider à la photosynthèse.

« Nous avons utilisé différentes simulations et techniques de microscopie pour examiner chaque composant séparément », a déclaré de Mello. « Nous avons ensuite utilisé ces données pour construire une étude sur la façon dont la lumière interagit avec la structure, à partir du moment où elle est captée, jusqu’à l’endroit où elle est distribuée ensuite, jusqu’à combien de temps elle est retenue, jusqu’au moment où elle est susceptible d’être absorbée par la cellule. »

Promouvoir la photosynthèse

L’étude a révélé que les longueurs d’onde avec lesquelles le manteau interagissait coïncidaient avec celles qu’il absorbait pendant la photosynthèse, ce qui suggère qu’il pourrait avoir évolué pour aider à capter la lumière du soleil. Les chercheurs ont également découvert que différentes régions du granule peuvent redistribuer la lumière à absorber à travers la cellule. Cela indique que l’enveloppe a évolué pour augmenter l’exposition de la cellule à la lumière ambiante. Leurs découvertes ont également indiqué que la lumière circule suffisamment longtemps dans les granules pour faciliter la photosynthèse pendant les périodes de transition de la lumière élevée à la lumière faible.

Le nouveau modèle de frustule pourrait permettre de cultiver des espèces de diatomées qui récoltent la lumière à différentes longueurs d’onde, leur permettant d’être personnalisées pour des applications spécifiques. « Les mécanismes de collecte de la lumière des diatomées peuvent être utilisés pour améliorer l’absorption des panneaux solaires en permettant à la lumière du soleil de se rassembler à plus d’angles, supprimant ainsi partiellement la dépendance du panneau à faire face directement au soleil », a déclaré Bernal.

Les chercheurs améliorent maintenant leur modèle et prévoient d’appliquer leur nouvel ensemble d’outils pour étudier d’autres types de diatomées. Ensuite, ils prévoient d’étendre le modèle au-delà des interactions lumineuses au sein d’un seul frostol pour examiner les comportements de plusieurs papillons.

Les chercheurs notent que ce travail rend hommage à leur collègue Dan Petrescu, décédé l’année dernière. La recherche n’aurait pas été possible sans sa vision, son aide et son dévouement.

Plus d’information:
Yannick D’Mello et al, Mécanismes de récupération de l’énergie solaire des diatomées Nitzschia filiformis, Matériel visuel Express (2022). DOI : 10.1364 / OME.473109

la citation: Les coquilles en forme de verre des diatomées aident à convertir la lumière en énergie dans des conditions sombres (2022, 22 novembre) Extrait le 22 novembre 2022 de https://phys.org/news/2022-11-glass-like-shells-diatoms-energy – perdre connaissance. html

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Delphine Perrault

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