Согласно новой модели фотосинтеза, растения игнорируют наиболее энергоемкую часть солнечного света, потому что стабильность важнее эффективности.
От больших деревьев в джунглях Амазонки до комнатных растений и морских водорослей в океане - зеленый цвет царит в царстве растений. Почему зеленый, а не синий, пурпурный или серый?
Простой ответ состоит в том, что хотя растения поглощают почти все фотоны в красной и синей областях светового спектра, они поглощают только около 90% зеленых фотонов. Если бы они поглотили больше, они казались бы нам черными. Растения зеленые, потому что они отражают небольшое количество света.
Но это кажется неудовлетворительно расточительным, потому что большая часть энергии, излучаемой солнцем, находится в зеленой части спектра.
Когда биологи требуют объяснений, они иногда предполагают, что зеленый свет может быть слишком мощным, чтобы растения могли использовать его без вреда, но причина этого не была ясна. Даже после десятилетий молекулярных исследований механизмов сбора света у растений ученые не смогли найти подробного объяснения цвета растений.
Однако недавно ученые наконец дали более полный ответ. Они построили модель, объясняющую, почему фотосинтетические механизмы растений тратят зеленый свет. Чего они не ожидали, так это того, что их модель также объяснит цвета других фотосинтетических форм жизни.
Их открытия указывают на эволюционный принцип, управляющий светособирающими организмами, который может применяться во всей Вселенной. Они также преподают урок, что - по крайней мере, иногда - эволюция меньше заботится о том, чтобы сделать биологические системы эффективными, чем о том, чтобы поддерживать их стабильность.
Экстраполируя результаты работы по поглощению света углеродными нанотрубками, ученые начали думать о том, как будет выглядеть идеальный солнечный коллектор, который будет поглощать пиковую энергию солнечного спектра.
Первый этап фотосинтеза происходит в светособирающем комплексе - сетке белков, в которую встроены пигменты, образующие антенну. Пигменты - хлорофиллы зеленых растений - поглощают свет и передают энергию в реакционный центр, где начинается производство химической энергии для использования клеткой.
Эффективность этого квантово-механического первого этапа фотосинтеза почти идеальна - почти весь поглощенный свет преобразуется в электроны, которые система может использовать.
Но этот антенный комплекс внутри ячеек постоянно движется. Это похоже на желе. Эти движения влияют на то, как энергия проходит через пигменты и вносят шум и неэффективность в систему.
Быстрые колебания интенсивности света, падающего на растения - например, из-за изменения количества тени - также делают ввод шумным. Для ячейки лучше всего постоянный ввод электрической энергии в сочетании с постоянным выходом химической энергии: слишком мало электронов, достигающих реакционного центра, может вызвать сбой энергии, в то время как слишком много энергии вызовет свободные радикалы и всевозможные эффекты перезарядки, а это повреждает ткани.
Исследователи разработали модель светособирающих систем растений и применили ее к солнечному спектру, измеренному под навесом из листьев. Их работа прояснила, почему то, что работает для солнечных элементов из нанотрубок, не работает для растений.
Было бы очень эффективно специализироваться на сборе только пиковой энергии зеленого света, но это было бы вредно для растений, потому что, когда солнечный свет мерцает, шум входного сигнала будет слишком сильно колебаться, чтобы комплекс мог регулировать поток энергии.
Вместо этого для безопасного, стабильного выхода энергии пигменты фотосистемы должны были быть очень точно настроены определенным образом. Пигменты должны поглощать свет с аналогичными длинами волн, чтобы уменьшить внутренний шум. Но им также необходимо было поглощать свет с разной скоростью, чтобы противостоять внешнему шуму, вызванному колебаниями интенсивности света.
Таким образом, наилучший свет для поглощения пигментов был в самых крутых частях кривой интенсивности солнечного спектра - красной и синей частях спектра.
Прогнозы модели совпадают с пиками поглощения хлорофилла a и b, которые зеленые растения используют для сбора красного и синего света. Похоже, что механизмы фотосинтеза развивались не для максимальной эффективности, а, скорее, для оптимально плавного и надежного результата.
Есть растения, которые не выглядят зелеными, как медный бук, потому что они содержат пигменты, такие как каротиноиды. Но эти пигменты не являются фотосинтетическими: они обычно защищают растения, как солнцезащитный крем, защищая их от медленных изменений их освещенности.
#наука #интересные факты
