A fotoszintézis új modellje szerint a növények figyelmen kívül hagyják a napból jövő fény leg energiagazdagabb részét, mert számukra fontosabb a stabilitás min a hatékonyság.
 |
A szárazföldi növények színe zöld, mert a fotoszintetikus pigmentjeik a fény hullámhosszának a zöld tartományára reagálnak. A tudósok végre megértették hogy miért.
|
Az Amazonas esőerdeiben lévő nagy fáktól a szobanövényekig és az óceán moszatáig a zöld szín a dominál a növényekben. Miért zöld, miért nem kék, bíbor vagy szürke? Az egyszerű válasz az, hogy amíg a növények a fény spektrumának vörös és kék szakaszában szinte az összes fotont elnyelik,addig a zöld fotonoknak csak körülbelül 90% -át. Ha többet nyelnének el, akkor a színük fekete lenne a szemünk számára. Tehát a növények azért zöldek, mert ebből a színtartományból kerül ki az általuk visszatükrözött kis mennyiségű fény.
Ez eléggé pazarló hozzáállásnak tűnik, mivel a nap sugárzott energiájának nagy része a fényspektrum zöld részén van. A biológusok további magyarázata szerint a zöld fény túlságosan erőteljes ahhoz, hogy a növények károsodás nélkül felhasználhassák, de az okok nem voltak soha egyértelműek. A molekuláris kutatások évtizedei után sem sikerült megmagyarázni a jelenség és a növények színezetének okait.
Az utóbbi időben
tudományos szaklapon bővebb magyarázatot lehet találni. A tudósok készítettek egy modellt ami magyarázatul szolgál arra vonatkozóan, hogy a növények fotoszintetizálás során miért is pazarolják a zöld fényt. Megállapításuk rámutatnak azoknak az organizmusoknak az evolúciós elvére amik a fényt is felhasználják életfunkcióik fenntartására és ez elv tulajdonképpen az egész ismert világegyetemre vonatkoztatható. A másik közzétett elmélet pedig rávilágít arra, hogy az evolúciót - legalábbis néha - kevésbé érdekli egy biológiai rendszer hatékonysága, inkább a stabilitást részesíti előnyben.
Nathaniel Gabor, a kaliforniai Riverside-i egyetem fizikusa botlott bele a problémába, miközben a szén nanocsövek fényelnyelésével foglalkozott miközben azon dolgozott hogy hogyan is néz ki az ideális napkollektor amely elnyeli a napfény spectrumának csúcsenergiáját. "Ennek az eszköznek a fény spectrumának zöld tartományát kell felhasználnia" - mondta. "Számomra azonnal világossá vált, hogy a növények pont az ellenkezőjét teszik, a zöld fényt hasznosítják kevésbé."
2016-ban Gabor és kollégái modellezték az
energiaáramlás legjobb körülményeit egy fotoelektromos cellában. Annak megismerésére, hogy a növények miért tükrözik a zöld fényt, Gabor és egy csapat, amelybe beletartozik Richard Cogdell, a Glasgowi Egyetem botanikusa, közelebbről megvizsgálta, hogy mi történik a fotoszintézis során hálózati elméleti alapokon.
A fotoszintézis első lépése egy fényvisszaverő felületen, egy olyan fehérjehálóban történik, amelyben a pigmentek be vannak ágyazva, és antennát képeznek. A pigmentek - a zöld növények klorofilljei - elnyelik a fényt és az energiát egy úgynevezett reakcióközpontba továbbítják, ahol megindul a kémiai energia előállítása a sejt számára. A fotoszintézis első kvantummechanizmus szakaszának hatékonysága szinte tökéletes - szinte az összes elnyelt fény elektronokká alakul át, amelyeket a rendszer képes használni.
De a cellákban ez az antennakomplex folyamatosan mozog. „Ezek a mozgások befolyásolják az energia áramlását a pigmenteken keresztül”, azaz zajt és a hatékonyság változását viszik a rendszerbe. A növényekre eső fény intenzitásának gyors ingadozása - például az árnyék mennyiségének változásai miatt - szintén zajossá válik a bemenetet. A cella számára a legjobb az állandó energia bevitel és a kémiai energia állandó kibocsátása. A reakcióközpontba jutó túl kevés elektron energiahiányt okozhat, míg a „túl sok energia szabad gyököket és mindenféle túltöltési hatást okoz”. amelyek károsítják a szöveteket - mondta Gábor.
Gábor és csapata kidolgozott egy modellt a növények fényelnyelési rendszereire, és alkalmazta azt a levelek lombkorona alatt mért napfény spektrumára. Munkájuk világossá tette, hogy miért nem működik a nanocsövekben működő napelem a növényeknél: Nagyon hatékony lehet a csúcsenergia zöld fényben történő gyűjtésére szakosodni, ám ez káros lenne a növényekre, mert amikor a napfény villog, a "bemeneti jel" zaja túlságosan vadul ingadozik ahhoz, hogy a rendszer szabályozni képes legyen az energiaáramot.
Ehelyett a biztonságos, folyamatos energiakibocsátás érdekében a fényelnyelő rendszer pigmentjeit bizonyos módon nagyon finoman be kellett hangolni. A belső zaj csökkentése érdekében a pigmenteknek hasonló hullámhosszon kell fényt elnyelniük. De nekik is szükségük volt arra, hogy a fényt különböző sebességgel nyeljék el, hogy tompítsák a fény intenzitásának ingadozása által okozott külső zajt. A pigmentek abszorpciójának legjobb fényét tehát a napspektrum intenzitási görbéjének legmélyebb részei - a spektrum piros és kék részei - képezték.
A modell előrejelzései megegyeztek az a és b klorofill abszorpciós csúcsaival, amelyeket a zöld növények használnak a vörös és kék fény betakarításához. Úgy tűnik, hogy a fotoszintézist nem a maximális hatékonyság érdekében, hanem az optimálisan sima és megbízható teljesítmény érdekében fejlesztették ki növények.
 |
| Ebben a tóban a víz azért vörös, mert lila kén fotoszintetizáló baktériumoknak ad otthont. A pigmentjei a baktériumok számára rendelkezésre álló fény spektrumának felhasználásához optimalizálódtak. |
Cogdell eleinte nem volt teljesen meggyőződve arról, hogy ez a megközelítés alkalmazható más fotoszintetikus organizmusok - például a lila baktériumok és a zöld kén baktériumok - esetében amelyek a víz alatt élnek, és színeik alapján nevezték el őket ( amelyeket a pigmentjeik tükröznek). A modellt a rendelkezésre álló napfényre alkalmazva, ahol ezek a baktériumok élnek, a kutatók megjósolták, hogy mi lesz az optimális abszorpciós csúcs. Előrejelzéseik ismét megegyeztek a sejtpigmentek aktivitásával.
"Amikor rájöttem, mennyire alapvető ez, a tükörbe néztem és gondolkodtam: Hogyan lehetek olyan ostoba, hogy korábban nem gondoltam erre?" - mondta Cogdell.
(Vannak növények, amelyek nem tűnnek zöldnek, mint például a rézbükk, mert pigmenteket tartalmaznak, mint például a karotinoidok. Ezek a pigmentek nem fotoszintetikusak: általában védik a növényeket, mint a fényvédő, puffer szerepet töltenek be, hogy a növényt védjék a fény expozíciójának lassú változásaitól.)
"Úgy gondolom, hogy rendkívül lenyűgöző volt egy biológiai mintát hihetetlenül egyszerű fizikai modellel magyarázni." - mondta Christopher Duffy, a londoni Queen Mary University biofizikusa, aki kísérő kommentárt írt a Science modelljére. "Jó volt látni egy elméleti munkát, amely megérti és előmozdítja azt az elképzelést, hogy a rendszer robusztussága tűnik az evolúciós hajtóerőnek."
A kutatók remélik, hogy a modell felhasználható jobb napelemek és más napelemes készülékek tervezéséhez. Bár a fotovoltaikus technológia hatékonysága jelentősen fejlődött, "azt mondanám, hogy a robusztusság és a méretezhetőség szempontjából ez nem megoldott probléma még, amit a növények már megoldottak" - mondta Gabriela Schlau-Cohen, a Massachusetts Technológiai Intézet fizikai vegyészete. .
Gábor azt is fontolóra vette, hogy a modellt a Földön kívüli életre is alkalmazza. "Ha lenne egy másik bolygóm, és tudnám milyen a csillaga, akkor ki tudnám találni, hogy néz ki a fotoszintézis alapú élet ott?" kérdezte. Modelljének kódjában - amely nyilvánosan elérhető - lehetőség van arra, hogy pontosan ezt tegye meg bármely kiválasztott fényspektrummal. Jelenleg a gyakorlat tisztán hipotetikus. "Az elkövetkező 20 évben valószínűleg elegendő adatunk lesz egy exobolygóról ahhoz, hogy megválaszoljuk ezt a kérdést" - mondta Gábor.
Fordítás: Furion
Forrás: https://www.quantamagazine.org/why-are-plants-green-to-reduce-the-noise-in-photosynthesis-20200730/
