Почему растения зеленые?

Когда солнечный свет, падающий на лист, быстро меняется, растения должны защищать себя от внезапных скачков солнечной энергии. Чтобы справиться с этими изменениями, фотосинтезирующие организмы — от растений до бактерий — разработали многочисленные тактики. Ученые, однако, не смогли определить основной принцип проектирования.

Международная группа ученых во главе с физиком Натаниэлем М. Габором из Калифорнийского университета в Риверсайде в настоящее время создала модель, которая воспроизводит общую черту фотосинтетического сбора света, наблюдаемую у многих фотосинтезирующих организмов.

Сбор света — это сбор солнечной энергии молекулами хлорофилла, связанными с белками. При фотосинтезе — процессе, с помощью которого зеленые растения и некоторые другие организмы используют солнечный свет для синтеза продуктов из углекислого газа и воды — сбор энергии света начинается с поглощения солнечного света.

Модель исследователей заимствует идеи из науки о сложных сетях, области исследования, которая исследует эффективную работу в сетях мобильных телефонов, мозгов и энергосистемы. Модель описывает простую сеть, которая способна вводить свет двух разных цветов, но вырабатывать постоянный уровень солнечной энергии. Этот необычный выбор только двух входов имеет замечательные последствия.

«Наша модель показывает, что, поглощая только очень специфические цвета света, фотосинтезирующие организмы могут автоматически защищаться от внезапных изменений — или« шума »- в солнечной энергии, что приводит к удивительно эффективному преобразованию энергии», — сказал Габор, доцент кафедры Физика и астрономия, возглавлявшие исследование, появились сегодня в журнале Science . «Зеленые растения кажутся зелеными, а пурпурные бактерии — фиолетовыми, потому что только определенные области спектра, из которых они поглощают, подходят для защиты от быстро меняющейся солнечной энергии».

Габор впервые начал думать об исследовании фотосинтеза более десяти лет назад, когда он был докторантом в Корнелльском университете. Он задавался вопросом, почему растения отклоняют зеленый свет, самый интенсивный солнечный свет. На протяжении многих лет он работал с физиками и биологами по всему миру, чтобы больше узнать о статистических методах и квантовой биологии фотосинтеза.

Ричард Когделл, ботаник из Университета Глазго в Соединенном Королевстве и соавтор исследовательской работы, призвал Габора расширить модель, включив в нее более широкий спектр фотосинтезирующих организмов, которые растут в средах, где падающий солнечный спектр сильно отличается.

«После этого мы смогли показать, что модель работала в других фотосинтезирующих организмах, кроме зеленых растений, и что модель определила общее и фундаментальное свойство сбора фотосинтетического света», — сказал он. «Наше исследование показывает, как, выбирая, где вы поглощаете солнечную энергию относительно падающего солнечного спектра, вы можете минимизировать шум на выходе — информацию, которая может быть использована для повышения производительности солнечных элементов».

Соавтор Rienk van Grondelle, влиятельный физик-экспериментатор в Vrije Universiteit Amsterdam в Нидерландах, который работает над первичными физическими процессами фотосинтеза, сказал, что команда обнаружила, что спектры поглощения определенных систем фотосинтеза выбирают определенные области спектрального возбуждения, которые подавляют шум и максимизируют энергию сохраняются.

«Этот очень простой принцип проектирования также может быть применен при проектировании солнечных элементов, созданных человеком», — сказал ван Гронделл, который имеет большой опыт сбора фотосинтетического света.

Габор объяснил, что растения и другие фотосинтезирующие организмы имеют широкий спектр тактик предотвращения повреждений из-за чрезмерного воздействия солнца, начиная от молекулярных механизмов выделения энергии и заканчивая физическим движением листа для отслеживания солнца. Растения даже разработали эффективную защиту от ультрафиолета, как и солнцезащитный крем.

«В сложном процессе фотосинтеза становится ясно, что защита организма от передержки является движущим фактором успешного производства энергии, и именно это вдохновило нас на разработку нашей модели», — сказал он. «Наша модель включает в себя относительно простую физику, но она согласуется с широким набором наблюдений в биологии. Это замечательно редко. Если наша модель выдерживает продолжающиеся эксперименты, мы можем найти еще большее согласие между теорией и наблюдениями, что дает глубокое понимание внутренняя работа природы «.

Чтобы построить модель, Габор и его коллеги применили простую физику сетей к сложным деталям биологии и смогли сделать четкие, количественные и общие утверждения об очень разнообразных фотосинтезирующих организмах.

«Наша модель является первым основанным на гипотезах объяснением того, почему растения зеленые, и мы даем дорожную карту для проверки модели с помощью более подробных экспериментов», — сказал Габор.

Габор добавил, что фотосинтез можно рассматривать как кухонную раковину, в которой вода из крана втекает, а в канализацию стекает вода. Если поток в раковину намного больше, чем поток наружу, раковина переполняется и вода разливается по всему полу.

«В процессе фотосинтеза, если поток солнечной энергии в сеть сбора света значительно больше, чем поток, фотосинтетическая сеть должна адаптироваться для уменьшения внезапного перетока энергии», — сказал он. «Когда сеть не справляется с этими колебаниями, организм пытается изгнать лишнюю энергию. При этом организм испытывает окислительный стресс, который повреждает клетки».

Исследователи были удивлены тем, насколько общей и простой является их модель.

«Природа всегда удивит тебя», — сказал Габор. «То, что кажется таким сложным и сложным, может работать на основе нескольких основных правил. Мы применили модель к организмам в разных нишах фотосинтеза и продолжаем воспроизводить точные спектры поглощения. В биологии есть исключения из каждого правила, настолько, что нахождение правило, как правило, очень сложное. Удивительно, но мы, похоже, нашли одно из правил фотосинтетической жизни ».

Габор отметил, что в последние несколько десятилетий исследования фотосинтеза были сосредоточены главным образом на структуре и функции микроскопических компонентов процесса фотосинтеза.

«Биологи хорошо знают, что биологические системы, как правило, не очень хорошо настроены, учитывая тот факт, что организмы практически не контролируют свои внешние условия», — сказал он. «Это противоречие до сих пор не было решено, потому что не существует модели, которая бы связывала микроскопические процессы с макроскопическими свойствами. Наша работа представляет собой первую количественную физическую модель, которая занимается этим противоречием».

Затем, при поддержке нескольких недавних грантов, исследователи разработают новую технику микроскопии, чтобы проверить свои идеи и продвинуть технологию фотобиологических экспериментов с использованием инструментов квантовой оптики.

«Там очень много, чтобы понять о природе, и это только выглядит красивее, когда мы разгадать его тайны», сказал Габор.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Калифорнии — Риверсайд . Оригинал написан Икбалом Питталвалой. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Тревор Б. Арп и соавт. Тихая антенна воспроизводит фотосинтетические спектры сбора света . Science , 2020 DOI: 10.1126 / science.aba6630