Γιατί τα φυτά είναι πράσινα; Για τη μείωση του θορύβου στη φωτοσύνθεση.
Από τα μεγάλα δέντρα στη ζούγκλα του Αμαζονίου μέχρι τα φυτά εσωτερικού χώρου μέχρι τα φύκια στον ωκεανό, το πράσινο είναι το χρώμα που βασιλεύει στο φυτικό βασίλειο. Γιατί πράσινο, και όχι μπλε ή ματζέντα ή γκρι; Η απλή απάντηση είναι ότι αν και τα φυτά απορροφούν σχεδόν όλα τα φωτόνια στις κόκκινες και μπλε περιοχές του φάσματος φωτός, απορροφούν μόνο περίπου το 90% των πράσινων φωτονίων. Αν απορροφούσαν περισσότερο, θα φαινόταν μαύρα στα μάτια μας. Τα φυτά είναι πράσινα επειδή η μικρή ποσότητα φωτός που αντανακλούν είναι αυτό το χρώμα.
Αλλά αυτό φαίνεται μη ικανοποιητικά σπατάλη επειδή το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που εκπέμπει ο ήλιος βρίσκεται στο πράσινο μέρος του φάσματος. Όταν πιέζονται να εξηγήσουν περαιτέρω, οι βιολόγοι έχουν μερικές φορές προτείνει ότι το πράσινο φως μπορεί να είναι πολύ ισχυρό για τα φυτά για να το χρησιμοποιήσουν χωρίς βλάβη, αλλά ο λόγος για τον οποίο δεν είναι ξεκάθαρος. Ακόμη και μετά από δεκαετίες μοριακής έρευνας σχετικά με τα μηχανήματα συλλογής φωτός στα φυτά, οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να καθορίσουν μια λεπτομερή λογική για το χρώμα των φυτών.
Πρόσφατα όμως στις σελίδες της Science , οι επιστήμονες έδωσαν τελικά μια πιο ολοκληρωμένη απάντηση. Κατασκεύασαν ένα μοντέλο για να εξηγήσουν γιατί ο φωτοσυνθετικός μηχανισμός των φυτών σπαταλά το πράσινο φως. Αυτό που δεν περίμεναν ήταν ότι το μοντέλο τους θα εξηγούσε και τα χρώματα άλλων φωτοσυνθετικών μορφών ζωής. Τα ευρήματά τους υποδεικνύουν μια εξελικτική αρχή που διέπει τους οργανισμούς που συλλέγουν το φως και μπορεί να εφαρμοστεί σε όλο το σύμπαν. Προσφέρουν επίσης ένα μάθημα ότι —τουλάχιστον μερικές φορές— η εξέλιξη ενδιαφέρεται λιγότερο για να κάνει τα βιολογικά συστήματα αποδοτικά παρά για να τα διατηρήσει σταθερά.
Το μυστήριο του χρώματος των φυτών είναι αυτό που σκόνταψε ο Nathaniel Gabor, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Riverside, πριν από χρόνια ενώ ολοκλήρωσε το διδακτορικό του. Επεκτείνοντας το έργο του σχετικά με την απορρόφηση φωτός από νανοσωλήνες άνθρακα, άρχισε να σκέφτεται πώς θα έμοιαζε ο ιδανικός ηλιακός συλλέκτης, αυτός που απορροφούσε τη μέγιστη ενέργεια από το ηλιακό φάσμα. «Θα πρέπει να έχετε αυτή τη στενή συσκευή να παίρνει την περισσότερη ισχύ στο πράσινο φως», είπε. "Και τότε μου ήρθε αμέσως στο μυαλό ότι τα φυτά κάνουν το αντίθετο:Φτύνουν το πράσινο φως."
Το 2016, ο Gabor και οι συνεργάτες του μοντελοποίησαν τις καλύτερες συνθήκες για ένα φωτοηλεκτρικό στοιχείο που ρυθμίζει τη ροή ενέργειας. Αλλά για να μάθουν γιατί τα φυτά αντανακλούν το πράσινο φως, ο Gabor και μια ομάδα που περιλάμβανε τον Richard Cogdell, βοτανολόγο στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης, εξέτασαν πιο προσεκτικά τι συμβαίνει κατά τη φωτοσύνθεση ως πρόβλημα στη θεωρία δικτύου.
Το πρώτο βήμα της φωτοσύνθεσης συμβαίνει σε ένα σύμπλεγμα συλλογής φωτός, ένα πλέγμα πρωτεϊνών στο οποίο ενσωματώνονται χρωστικές ουσίες, σχηματίζοντας μια κεραία. Οι χρωστικές - χλωροφύλλες, στα πράσινα φυτά - απορροφούν το φως και μεταφέρουν την ενέργεια σε ένα κέντρο αντίδρασης, όπου ξεκινά η παραγωγή χημικής ενέργειας για χρήση του κυττάρου. Η αποτελεσματικότητα αυτού του πρώτου σταδίου της κβαντομηχανικής φωτοσύνθεσης είναι σχεδόν τέλεια — σχεδόν όλο το απορροφούμενο φως μετατρέπεται σε ηλεκτρόνια που μπορεί να χρησιμοποιήσει το σύστημα.
Αλλά αυτό το σύμπλεγμα κεραιών μέσα στα κύτταρα κινείται συνεχώς. «Είναι σαν το Jell-O», είπε ο Gabor. «Αυτές οι κινήσεις επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια ρέει μέσα από τις χρωστικές ουσίες» και φέρνουν θόρυβο και αναποτελεσματικότητα στο σύστημα. Οι γρήγορες διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός που πέφτει στα φυτά — από αλλαγές στην ποσότητα της σκιάς, για παράδειγμα — κάνουν επίσης την είσοδο θορυβώδη. Για το κύτταρο, μια σταθερή είσοδος ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με μια σταθερή έξοδο χημικής ενέργειας είναι η καλύτερη:Πολύ λίγα ηλεκτρόνια που φθάνουν στο κέντρο αντίδρασης μπορεί να προκαλέσουν ενεργειακή αποτυχία, ενώ «πολύ ενέργεια θα προκαλέσει ελεύθερες ρίζες και κάθε είδους φαινόμενα υπερφόρτισης». που βλάπτουν τους ιστούς, είπε ο Gabor.
Ο Gabor και η ομάδα του ανέπτυξαν ένα μοντέλο για τα συστήματα συλλογής φωτός των φυτών και το εφάρμοσαν στο ηλιακό φάσμα που μετρήθηκε κάτω από ένα θόλο με φύλλα. Η δουλειά τους κατέστησε σαφές γιατί αυτό που λειτουργεί για τα ηλιακά κύτταρα νανοσωλήνων δεν λειτουργεί για τα φυτά:Μπορεί να είναι πολύ αποδοτικό να ειδικευόμαστε στη συλλογή μόνο της μέγιστης ενέργειας στο πράσινο φως, αλλά αυτό θα ήταν επιζήμιο για τα φυτά επειδή, όταν το φως του ήλιου τρεμοπαίζει, ο θόρυβος από το σήμα εισόδου θα κυμαινόταν πολύ άγρια ώστε το σύμπλεγμα να ρυθμίσει τη ροή ενέργειας.
Αντίθετα, για μια ασφαλή, σταθερή παραγωγή ενέργειας, οι χρωστικές του φωτοσυστήματος έπρεπε να ρυθμιστούν πολύ καλά με έναν συγκεκριμένο τρόπο. Οι χρωστικές που απαιτούνται για την απορρόφηση του φωτός σε παρόμοια μήκη κύματος για τη μείωση του εσωτερικού θορύβου. Αλλά χρειαζόταν επίσης να απορροφούν το φως με διαφορετικούς ρυθμούς για να απομονώνονται από τον εξωτερικό θόρυβο που προκαλείται από τις ταλαντεύσεις στην ένταση του φωτός. Το καλύτερο φως για να απορροφήσουν οι χρωστικές ουσίες, λοιπόν, ήταν στα πιο απότομα μέρη της καμπύλης έντασης για το ηλιακό φάσμα - το κόκκινο και το μπλε μέρος του φάσματος.
Οι προβλέψεις του μοντέλου ταίριαζαν με τις κορυφές απορρόφησης της χλωροφύλλης a και β , που χρησιμοποιούν τα πράσινα φυτά για τη συγκομιδή του κόκκινου και του μπλε φωτός. Φαίνεται ότι ο μηχανισμός φωτοσύνθεσης δεν εξελίχτηκε για μέγιστη απόδοση αλλά για βέλτιστα ομαλή και αξιόπιστη απόδοση.
Ο Cogdell δεν ήταν πλήρως πεπεισμένος στην αρχή ότι αυτή η προσέγγιση θα άντεχε και για άλλους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, όπως τα μωβ βακτήρια και τα πράσινα βακτήρια θείου που ζουν κάτω από το νερό και ονομάζονται για τα χρώματα που αντανακλούν οι χρωστικές τους. Εφαρμόζοντας το μοντέλο στο ηλιακό φως που είναι διαθέσιμο όπου ζουν αυτά τα βακτήρια, οι ερευνητές προέβλεψαν ποιες θα έπρεπε να είναι οι βέλτιστες κορυφές απορρόφησης. Για άλλη μια φορά, οι προβλέψεις τους ταίριαξαν με τη δραστηριότητα των χρωστικών των κυττάρων.
«Όταν συνειδητοποίησα πόσο θεμελιώδες ήταν αυτό, βρέθηκα να κοιτάζομαι στον καθρέφτη και να σκέφτομαι:Πώς θα μπορούσα να είμαι τόσο χαζός που δεν το σκέφτομαι πριν;» είπε ο Cogdell.
(Υπάρχουν φυτά που δεν φαίνονται πράσινα, όπως η χάλκινη οξιά, επειδή περιέχουν χρωστικές ουσίες όπως καροτενοειδή. Αλλά αυτές οι χρωστικές δεν είναι φωτοσυνθετικές:Συνήθως προστατεύουν τα φυτά όπως το αντηλιακό, ρυθμίζοντας τις αργές αλλαγές στην έκθεση τους στο φως.)
«Ήταν εξαιρετικά εντυπωσιακό, νομίζω, να εξηγήσω ένα μοτίβο στη βιολογία με ένα απίστευτα απλό φυσικό μοντέλο», δήλωσε ο Christopher Duffy, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου, ο οποίος έγραψε ένα συνοδευτικό σχόλιο για το μοντέλο για την Science . "Ήταν ωραίο να βλέπω μια θεωρητική εργασία που κατανοεί και προωθεί την ιδέα ότι η στιβαρότητα του συστήματος φαίνεται να είναι η εξελικτική κινητήρια δύναμη."
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στο σχεδιασμό καλύτερων ηλιακών συλλεκτών και άλλων ηλιακών συσκευών. Αν και η αποτελεσματικότητα της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας έχει προχωρήσει σημαντικά, «θα έλεγα ότι δεν είναι ένα λυμένο πρόβλημα όσον αφορά την ευρωστία και την επεκτασιμότητα, κάτι που έχουν λύσει τα φυτά», δήλωσε η Gabriela Schlau-Cohen, φυσικοχημικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης .
Ο Γκαμπόρ έχει επίσης αποφασίσει να εφαρμόσει το μοντέλο κάποια μέρα στη ζωή πέρα από τη Γη. «Αν είχα έναν άλλο πλανήτη και ήξερα πώς ήταν το αστέρι του, θα μπορούσα να μαντέψω πώς θα ήταν η φωτοσυνθετική ζωή;» ρώτησε. Στον κώδικα του μοντέλου του — ο οποίος είναι διαθέσιμος στο κοινό — υπάρχει η επιλογή να γίνει ακριβώς αυτό με οποιοδήποτε επιλεγμένο φάσμα. Προς το παρόν, η άσκηση είναι καθαρά υποθετική. "Τα επόμενα 20 χρόνια, πιθανότατα θα έχουμε αρκετά δεδομένα για έναν εξωπλανήτη για να μπορέσουμε να [απαντήσουμε] σε αυτήν την ερώτηση", είπε ο Gabor.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .
