Perché le piante sono verdi? Ridurre il rumore nella fotosintesi.
Dai grandi alberi nella giungla amazzonica alle piante d'appartamento alle alghe nell'oceano, il verde è il colore che regna sul regno vegetale. Perché verde e non blu o magenta o grigio? La semplice risposta è che sebbene le piante assorbano quasi tutti i fotoni nelle regioni rosse e blu dello spettro luminoso, assorbono solo circa il 90% dei fotoni verdi. Se assorbissero di più, sembrerebbero neri ai nostri occhi. Le piante sono verdi perché la piccola quantità di luce che riflettono è quel colore.
Ma ciò sembra insoddisfacentemente dispendioso perché la maggior parte dell'energia che il sole irradia è nella parte verde dello spettro. Quando sono spinti a spiegare ulteriormente, i biologi hanno talvolta suggerito che la luce verde potrebbe essere troppo potente per essere utilizzata dalle piante senza danni, ma il motivo per cui non è stato chiaro. Anche dopo decenni di ricerche molecolari sui macchinari per la raccolta della luce nelle piante, gli scienziati non sono stati in grado di stabilire una logica dettagliata per il colore delle piante.
Di recente, tuttavia, nelle pagine di Science , gli scienziati hanno finalmente fornito una risposta più completa. Hanno costruito un modello per spiegare perché i macchinari fotosintetici delle piante sprecano luce verde. Quello che non si aspettavano era che il loro modello spiegasse anche i colori di altre forme di vita fotosintetiche. Le loro scoperte indicano un principio evolutivo che governa gli organismi di raccolta della luce che potrebbero essere applicati in tutto l'universo. Offrono anche una lezione che – almeno a volte – l'evoluzione si preoccupa meno di rendere efficienti i sistemi biologici che di mantenerli stabili.
Il mistero del colore delle piante è quello che Nathaniel Gabor , un fisico dell'Università della California, a Riverside, si è imbattuto in anni fa mentre completava il suo dottorato. Estrapolato dal suo lavoro sull'assorbimento della luce da parte dei nanotubi di carbonio, iniziò a pensare a come sarebbe stato il collettore solare ideale, uno che assorbiva l'energia di picco dallo spettro solare. "Dovresti avere questo dispositivo stretto che ottiene il massimo potere alla luce verde", ha detto. "E poi mi è subito venuto in mente che le piante stanno facendo il contrario: stanno sputando luce verde."
Nel 2016, Gabor e i suoi colleghi hanno modellato le migliori condizioni per una cellula fotoelettrica che regola il flusso di energia . Ma per capire perché le piante riflettono la luce verde, Gabor e un team che includeva Richard Cogdell , botanico dell'Università di Glasgow, hanno esaminato più da vicino ciò che accade durante la fotosintesi come un problema nella teoria delle reti.
Il primo passo della fotosintesi avviene in un complesso di raccolta della luce, una rete di proteine in cui sono incorporati i pigmenti, formando un'antenna. I pigmenti – clorofille, nelle piante verdi – assorbono la luce e trasferiscono l'energia in un centro di reazione, dove inizia la produzione di energia chimica per l'uso della cellula. L'efficienza di questo primo stadio meccanico fotosintetico della fotosintesi è quasi perfetta: quasi tutta la luce assorbita viene convertita in elettroni che il sistema può utilizzare.
Ma questo complesso di antenne all'interno delle cellule è in costante movimento. "È come Jell-O", ha detto Gabor. "Questi movimenti influenzano il modo in cui l'energia fluisce attraverso i pigmenti" e introducono rumore e inefficienza nel sistema. Anche le fluttuazioni rapide dell'intensità della luce che cade sulle piante, ad esempio da variazioni della quantità di ombra, rendono l'ingresso rumoroso. Per la cellula, è meglio un input costante di energia elettrica accoppiato a un output costante di energia chimica: troppi elettroni che raggiungono il centro di reazione possono causare un fallimento di energia, mentre "troppa energia causerà i radicali liberi e tutti i tipi di effetti di sovraccarico" che danneggiano i tessuti, ha detto Gabor.
Gabor e il suo team hanno sviluppato un modello per i sistemi di raccolta della luce delle piante e lo hanno applicato allo spettro solare misurato sotto un baldacchino di foglie. Il loro lavoro ha chiarito perché ciò che funziona per le celle solari a nanotubo non funziona per le piante: potrebbe essere altamente efficiente specializzarsi nel raccogliere solo l'energia di picco nella luce verde, ma sarebbe dannoso per le piante perché, quando la luce del sole tremolava, il rumore proveniente dal segnale di ingresso fluttuerebbe troppo selvaggiamente per consentire al complesso di regolare il flusso di energia.
Invece, per una produzione di energia sicura e costante, i pigmenti del fotosistema dovevano essere sintonizzati molto finemente in un certo modo. I pigmenti dovevano assorbire la luce a lunghezze d'onda simili per ridurre il rumore interno. Ma avevano anche bisogno di assorbire la luce a velocità diverse per respingere il rumore esterno causato da oscillazioni dell'intensità della luce. La luce migliore per i pigmenti da assorbire, quindi, era nelle parti più ripide della curva di intensità per lo spettro solare – le parti rosse e blu dello spettro.
Previsioni del modello abbinati i picchi di assorbimento di clorofilla A e B, quali piante verdi usano per raccogliere la luce rossa e blu. Sembra che il macchinario della fotosintesi non si sia evoluto per la massima efficienza, ma piuttosto per un risultato perfettamente regolare e affidabile.
All'inizio Cogdell non era del tutto convinto che questo approccio avrebbe resistito ad altri organismi fotosintetici, come i batteri viola e i batteri verde zolfo che vivono sott'acqua e prendono il nome dai colori che riflettono i loro pigmenti. Applicando il modello alla luce solare disponibile dove vivono quei batteri, i ricercatori hanno predetto quali dovrebbero essere i picchi di assorbimento ottimali. Ancora una volta, le loro previsioni corrispondevano all'attività dei pigmenti delle cellule.
"Quando ho capito quanto fosse fondamentale, mi sono ritrovato a guardarmi allo specchio e a pensare: come potrei essere così stupido da non pensarci prima?" Disse Cogdell.
(Ci sono piante che non sembrano verdi, come il faggio ramato, perché contengono pigmenti come i carotenoidi. Ma quei pigmenti non sono fotosintetici: in genere proteggono le piante come la protezione solare, tamponando dai lenti cambiamenti della loro esposizione alla luce.)
"Penso che sia stato straordinariamente impressionante spiegare un modello in biologia con un modello fisico incredibilmente semplice", ha detto Christopher Duffy , un biofisico della Queen Mary University di Londra, che ha scritto un commento di accompagnamento sul modello per la scienza . "È stato bello vedere un'opera guidata teoricamente che comprende e promuove l'idea che è la forza del sistema che sembra essere la forza trainante dell'evoluzione".
I ricercatori sperano che il modello possa essere utilizzato per aiutare nella progettazione di pannelli solari migliori e altri dispositivi solari. Sebbene l'efficienza della tecnologia fotovoltaica sia notevolmente migliorata, "Direi che non è un problema risolto in termini di robustezza e scalabilità, che è qualcosa che gli impianti hanno risolto", ha detto Gabriela Schlau-Cohen , chimico fisico presso il Massachusetts Institute of Technology .
Gabor ha anche deciso di applicare un giorno il modello alla vita oltre la Terra. "Se avessi un altro pianeta e sapessi com'era la sua stella, potrei immaginare come potrebbe essere la vita fotosintetica?" chiese. Nel codice del suo modello – che è pubblicamente disponibile – esiste un'opzione per fare esattamente questo con qualsiasi spettro selezionato. Per ora, l'esercizio è puramente ipotetico. "Nei prossimi 20 anni, probabilmente avremo abbastanza dati su un esopianeta per essere in grado di rispondere a questa domanda", ha detto Gabor.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/why-are-plants-green-to-reduce-the-noise-in-photosynthesis-20200730/ in data Thu, 30 Jul 2020 14:40:13 +0000.