Hvorfor er planter grønne? Forskningsteams model gengiver fotosyntese

Når sollys, der skinner på et blad, ændrer sig hurtigt, planter skal beskytte sig mod de deraf følgende pludselige stigninger i solenergi. For at klare disse ændringer, fotosyntetiske organismer - fra planter til bakterier - har udviklet talrige taktikker. Det har forskere ikke kunnet, imidlertid, at identificere det underliggende designprincip.

Et internationalt team af forskere, ledet af fysiker Nathaniel M. Gabor ved University of California, Riverside, har nu konstrueret en model, der gengiver et generelt træk ved fotosyntetisk lyshøst, observeret på tværs af mange fotosyntetiske organismer.

Let høst er opsamling af solenergi af proteinbundne klorofylmolekyler. I fotosyntesen - den proces, hvorved grønne planter og nogle andre organismer bruger sollys til at syntetisere fødevarer fra kuldioxid og vand - begynder høsten af ​​lysenergi at absorbere sollys.

Forskernes model låner ideer fra videnskaben om komplekse netværk, et studieområde, der udforsker effektiv drift i mobiltelefonnetværk, hjerner, og elnettet. Modellen beskriver et simpelt netværk, der er i stand til at indtaste lys i to forskellige farver, alligevel leverer en stabil solstrøm. Dette usædvanlige valg af kun to input har bemærkelsesværdige konsekvenser.

"Vores model viser, at ved kun at absorbere meget specifikke lysfarver, fotosyntetiske organismer kan automatisk beskytte sig mod pludselige ændringer - eller 'støj' - i solenergi, resulterer i bemærkelsesværdig effektiv strømkonvertering, "sagde Gabor, lektor i fysik og astronomi, der ledede undersøgelsen, der i dag fremgår af tidsskriftet Videnskab . "Grønne planter fremstår grønne og lilla bakterier fremstår lilla, fordi kun bestemte områder i spektret, hvorfra de absorberer, er egnede til beskyttelse mod hurtigt skiftende solenergi."

Gabor begyndte først at tænke på fotosynteseforskning for mere end et årti siden, da han var doktorand ved Cornell University. Han undrede sig over, hvorfor planter afviste grønt lys, det mest intense sollys. I årenes løb, han arbejdede sammen med fysikere og biologer over hele verden for at lære mere om statistiske metoder og fotosyntesens kvantebiologi.

Richard Cogdell, en kendt botaniker ved University of Glasgow i Det Forenede Kongerige og en medforfatter til forskningsartiklen, opfordrede Gabor til at udvide modellen til at omfatte et bredere spektrum af fotosyntetiske organismer, der vokser i miljøer, hvor det indfaldende solspektrum er meget forskelligt.

"Spændende, vi kunne derefter vise, at modellen virkede i andre fotosyntetiske organismer udover grønne planter, og at modellen identificerede en generel og grundlæggende egenskab ved fotosyntetisk lyshøst, "sagde han." Vores undersøgelse viser, hvordan, ved at vælge, hvor du absorberer solenergi i forhold til det hændende solspektrum, du kan minimere støj på output - oplysninger, der kan bruges til at forbedre solcellers ydeevne. "

Medforfatter Rienk van Grondelle, en indflydelsesrig eksperimentel fysiker ved Vrije Universiteit Amsterdam i Holland, der arbejder med de primære fysiske processer ved fotosyntese, sagde, at teamet fandt absorptionsspektre for visse fotosyntetiske systemer udvælge bestemte spektrale excitationsområder, der annullerer støjen og maksimerer den lagrede energi.

"Dette meget enkle designprincip kan også anvendes i designet af menneskeskabte solceller, "sagde van Grondelle, som har stor erfaring med fotosyntetisk lyshøst.

Gabor forklarede, at planter og andre fotosyntetiske organismer har en lang række taktikker til at forhindre skader på grund af overeksponering for solen, lige fra molekylære mekanismer til frigivelse af energi til fysisk bevægelse af bladet for at spore solen. Planter har endda udviklet effektiv beskyttelse mod UV -lys, ligesom i solcreme.

"I den komplekse proces med fotosyntese, det er klart, at beskyttelse af organismen mod overeksponering er drivkraften for en vellykket energiproduktion, og det er den inspiration, vi brugte til at udvikle vores model, "sagde han." Vores model indeholder relativt enkel fysik, men det er i overensstemmelse med et stort sæt observationer inden for biologi. Dette er bemærkelsesværdigt sjældent. Hvis vores model holder til fortsatte forsøg, vi kan finde endnu mere overensstemmelse mellem teori og observationer, giver rig indsigt i naturens indre virke. "

For at konstruere modellen, Gabor og hans kolleger anvendte ligetil fysik i netværk til biologiens komplekse detaljer, og kunne tydeliggøre, kvantitativ, og generiske udsagn om meget forskellige fotosyntetiske organismer.

"Vores model er den første hypotesedrevne forklaring på, hvorfor planter er grønne, og vi giver en køreplan for at teste modellen gennem mere detaljerede eksperimenter, "Sagde Gabor.

Fotosyntese kan betragtes som en køkkenvask, Gabor tilføjede, hvor en vandhane strømmer vand ind og et afløb lader vandet strømme ud. Hvis strømmen til vasken er meget større end den ydre strømning, vasken flyder over, og vandet spilder over hele gulvet.

"I fotosyntesen, hvis strømmen af ​​solenergi til lyshøstnetværket er betydeligt større end strømmen ud, det fotosyntetiske netværk skal tilpasse sig for at reducere den pludselige overstrømning af energi, "sagde han." Når netværket ikke klarer disse udsving, organismen forsøger at udvise den ekstra energi. Derved, organismen undergår oxidativt stress, som skader cellerne. "

Forskerne blev overrasket over, hvor generel og enkel deres model er.

"Naturen vil altid overraske dig, "Gabor sagde." Noget, der virker så kompliceret og komplekst, fungerer muligvis ud fra et par grundlæggende regler. Vi anvendte modellen på organismer i forskellige fotosyntetiske nicher og fortsætter med at gengive nøjagtige absorptionsspektre. I biologi, there are exceptions to every rule, so much so that finding a rule is usually very difficult. Overraskende, we seem to have found one of the rules of photosynthetic life."

Gabor noted that over the last several decades, photosynthesis research has focused mainly on the structure and function of the microscopic components of the photosynthetic process.

"Biologists know well that biological systems are not generally finely tuned given the fact that organisms have little control over their external conditions, " he said. "This contradiction has so far been unaddressed because no model exists that connects microscopic processes with macroscopic properties. Our work represents the first quantitative physical model that tackles this contradiction."

Næste, supported by several recent grants, the researchers will design a novel microscopy technique to test their ideas and advance the technology of photo-biology experiments using quantum optics tools.

"There's a lot out there to understand about nature, and it only looks more beautiful as we unravel its mysteries, " Gabor said.