Wanneer zonlicht dat op een blad schijnt snel verandert, planten moeten zichzelf beschermen tegen de daaruit voortvloeiende plotselinge schommelingen van zonne-energie. Om met deze veranderingen om te gaan, fotosynthetische organismen - van planten tot bacteriën - hebben talloze tactieken ontwikkeld. Wetenschappers zijn niet in staat geweest, echter, om het onderliggende ontwerpprincipe te identificeren.

Een internationaal team van wetenschappers, onder leiding van natuurkundige Nathaniel M. Gabor aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft nu een model geconstrueerd dat een algemeen kenmerk van het oogsten van fotosynthetisch licht reproduceert, waargenomen bij veel fotosynthetische organismen.

Licht oogsten is het verzamelen van zonne-energie door eiwitgebonden chlorofylmoleculen. Bij fotosynthese - het proces waarbij groene planten en sommige andere organismen zonlicht gebruiken om voedsel uit kooldioxide en water te synthetiseren - begint het oogsten van lichtenergie met de absorptie van zonlicht.

Het model van de onderzoekers leent ideeën uit de wetenschap van complexe netwerken, een vakgebied dat de efficiënte werking in mobiele telefoonnetwerken onderzoekt, hersenen, en het elektriciteitsnet. Het model beschrijft een eenvoudig netwerk dat licht van twee verschillende kleuren kan invoeren, maar toch een constante hoeveelheid zonne-energie produceren. Deze ongebruikelijke keuze van slechts twee ingangen heeft opmerkelijke gevolgen.

"Ons model laat zien dat door alleen zeer specifieke lichtkleuren te absorberen, fotosynthetische organismen kunnen zichzelf automatisch beschermen tegen plotselinge veranderingen - of 'ruis' - in zonne-energie, wat resulteert in een opmerkelijk efficiënte stroomconversie, zei Gabor, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, die de studie leidde die vandaag in het tijdschrift verschijnt Wetenschap . "Groene planten lijken groen en paarse bacteriën lijken paars omdat alleen bepaalde delen van het spectrum waaruit ze absorberen geschikt zijn voor bescherming tegen snel veranderende zonne-energie."

Gabor begon meer dan tien jaar geleden voor het eerst na te denken over fotosynthese-onderzoek, toen hij een doctoraatsstudent was aan de Cornell University. Hij vroeg zich af waarom planten groen licht afwijzen, het meest intense zonnelicht. Door de jaren heen, hij werkte met natuurkundigen en biologen over de hele wereld om meer te leren over statistische methoden en de kwantumbiologie van fotosynthese.

Richard Cogdell, een gerenommeerd botanicus aan de Universiteit van Glasgow in het Verenigd Koninkrijk en een co-auteur van het onderzoekspaper, moedigde Gabor aan om het model uit te breiden met een breder scala aan fotosynthetische organismen die groeien in omgevingen waar het invallende zonnespectrum heel anders is.

"Spannend, we konden toen aantonen dat het model werkte in andere fotosynthetische organismen dan groene planten, en dat het model een algemene en fundamentele eigenschap van het oogsten van fotosynthetisch licht identificeerde, " zei hij. "Onze studie laat zien hoe, door te kiezen waar je zonne-energie opneemt in relatie tot het invallende zonnespectrum, je kunt de ruis op de output minimaliseren - informatie die kan worden gebruikt om de prestaties van zonnecellen te verbeteren."

Medeauteur Rienk van Grondelle, een invloedrijke experimenteel fysicus aan de Vrije Universiteit Amsterdam in Nederland die werkt aan de primaire fysieke processen van fotosynthese, zei dat het team ontdekte dat de absorptiespectra van bepaalde fotosynthetische systemen bepaalde spectrale excitatiegebieden selecteren die het geluid annuleren en de opgeslagen energie maximaliseren.

"Dit zeer eenvoudige ontwerpprincipe zou ook kunnen worden toegepast bij het ontwerpen van door mensen gemaakte zonnecellen, zei van Grondelle, die uitgebreide ervaring heeft met het oogsten van fotosynthetisch licht.

Gabor legde uit dat planten en andere fotosynthetische organismen een breed scala aan tactieken hebben om schade door overmatige blootstelling aan de zon te voorkomen, variërend van moleculaire mechanismen voor het vrijkomen van energie tot fysieke beweging van het blad om de zon te volgen. Planten hebben zelfs een effectieve bescherming ontwikkeld tegen UV-licht, net als bij zonnebrand.

"In het complexe proces van fotosynthese, het is duidelijk dat de bescherming van het organisme tegen overmatige blootstelling de drijvende factor is in een succesvolle energieproductie, en dit is de inspiratie die we hebben gebruikt om ons model te ontwikkelen, " zei hij. "Ons model bevat relatief eenvoudige natuurkunde, toch is het consistent met een groot aantal waarnemingen in de biologie. Dit is opmerkelijk zeldzaam. Als ons model voortdurende experimenten doorstaat, misschien vinden we nog meer overeenstemming tussen theorie en waarnemingen, geeft een rijk inzicht in de innerlijke werking van de natuur."

Om het model te construeren, Gabor en zijn collega's pasten ongecompliceerde fysica van netwerken toe op de complexe details van de biologie, en kon duidelijk maken, kwantitatief, en generieke uitspraken over zeer diverse fotosynthetische organismen.

"Ons model is de eerste hypothese-gedreven verklaring waarom planten groen zijn, en we geven een stappenplan om het model te testen door middel van meer gedetailleerde experimenten, ' zei Gabor.

Fotosynthese kan worden gezien als een gootsteen, Gabor heeft toegevoegd, waar een kraan water naar binnen laat stromen en een afvoer het water naar buiten laat stromen. Als de stroom in de gootsteen veel groter is dan de uitgaande stroom, de gootsteen loopt over en het water loopt over de vloer.

"Bij fotosynthese, als de stroom van zonne-energie naar het lichtoogstnetwerk aanzienlijk groter is dan de stroom naar buiten, het fotosynthetische netwerk moet zich aanpassen om de plotselinge overstroming van energie te verminderen, " zei hij. "Als het netwerk deze fluctuaties niet aankan, het organisme probeert de extra energie te verdrijven. Daarbij, het organisme ondergaat oxidatieve stress, die cellen beschadigt."

De onderzoekers waren verrast door hoe algemeen en eenvoudig hun model is.

"De natuur zal je altijd verrassen, " Zei Gabor. "Iets dat zo ingewikkeld en complex lijkt, zou kunnen werken op basis van een paar basisregels. We hebben het model toegepast op organismen in verschillende fotosynthetische niches en blijven nauwkeurige absorptiespectra reproduceren. In biology, there are exceptions to every rule, so much so that finding a rule is usually very difficult. Verrassend genoeg, 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."

Volgende, 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.