Cuando la luz del sol que brilla sobre una hoja cambia rápidamente, las plantas deben protegerse de las consiguientes oleadas repentinas de energía solar. Para hacer frente a estos cambios, Los organismos fotosintéticos, desde las plantas hasta las bacterias, han desarrollado numerosas tácticas. Los científicos no han podido sin embargo, para identificar el principio de diseño subyacente.

Un equipo internacional de científicos, dirigido por el físico Nathaniel M. Gabor de la Universidad de California, Orilla, ahora ha construido un modelo que reproduce una característica general de la captación de luz fotosintética, observado en muchos organismos fotosintéticos.

La recolección de luz es la recolección de energía solar por moléculas de clorofila unidas a proteínas. En la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas verdes y algunos otros organismos utilizan la luz solar para sintetizar alimentos a partir del dióxido de carbono y el agua, la recolección de energía luminosa comienza con la absorción de la luz solar.

El modelo de los investigadores toma prestadas ideas de la ciencia de las redes complejas, un campo de estudio que explora el funcionamiento eficiente de las redes de telefonía móvil, sesos, y la red eléctrica. El modelo describe una red simple que puede ingresar luz de dos colores diferentes, sin embargo, produce una tasa constante de energía solar. Esta elección inusual de solo dos entradas tiene consecuencias notables.

"Nuestro modelo muestra que al absorber solo colores de luz muy específicos, Los organismos fotosintéticos pueden protegerse automáticamente contra cambios repentinos, o 'ruido', en la energía solar, resultando en una conversión de energía notablemente eficiente, "dijo Gabor, profesor asociado de física y astronomía, quien dirigió el estudio que aparece hoy en la revista Ciencias . "Las plantas verdes tienen un aspecto verde y las bacterias púrpuras aparecen púrpuras porque solo las regiones específicas del espectro del que absorben son adecuadas para la protección contra la energía solar que cambia rápidamente".

Gabor comenzó a pensar en la investigación de la fotosíntesis hace más de una década, cuando era estudiante de doctorado en la Universidad de Cornell. Se preguntó por qué las plantas rechazaban la luz verde, la luz solar más intensa. A través de los años, trabajó con físicos y biólogos de todo el mundo para aprender más sobre métodos estadísticos y la biología cuántica de la fotosíntesis.

Richard Cogdell, un botánico de renombre de la Universidad de Glasgow en el Reino Unido y coautor del artículo de investigación, animó a Gabor a ampliar el modelo para incluir una gama más amplia de organismos fotosintéticos que crecen en entornos donde el espectro solar incidente es muy diferente.

"Emocionantemente, Luego pudimos demostrar que el modelo funcionaba en otros organismos fotosintéticos además de las plantas verdes, y que el modelo identificó una propiedad general y fundamental de la captación de luz fotosintética, ", dijo." Nuestro estudio muestra cómo, eligiendo dónde absorber la energía solar en relación con el espectro solar incidente, puede minimizar el ruido en la salida, información que se puede utilizar para mejorar el rendimiento de las células solares ".

Coautor Rienk van Grondelle, un influyente físico experimental de la Vrije Universiteit Amsterdam en los Países Bajos que trabaja en los procesos físicos primarios de la fotosíntesis, dijo que el equipo encontró que los espectros de absorción de ciertos sistemas fotosintéticos seleccionan ciertas regiones de excitación espectral que cancelan el ruido y maximizan la energía almacenada.

"Este principio de diseño muy simple también podría aplicarse en el diseño de células solares creadas por el hombre, "dijo van Grondelle, que tiene una vasta experiencia en la recolección de luz fotosintética.

Gabor explicó que las plantas y otros organismos fotosintéticos tienen una amplia variedad de tácticas para prevenir daños por sobreexposición al sol. que van desde los mecanismos moleculares de liberación de energía hasta el movimiento físico de la hoja para seguir el sol. Las plantas incluso han desarrollado una protección eficaz contra la luz ultravioleta, al igual que en el protector solar.

"En el complejo proceso de la fotosíntesis, Está claro que proteger al organismo de la sobreexposición es el factor que impulsa la producción de energía con éxito. y esta es la inspiración que usamos para desarrollar nuestro modelo, ", dijo." Nuestro modelo incorpora física relativamente simple, sin embargo, es consistente con un vasto conjunto de observaciones en biología. Esto es muy raro. Si nuestro modelo soporta experimentos continuos, podemos encontrar aún más concordancia entre la teoría y las observaciones, dando una rica visión del funcionamiento interno de la naturaleza ".

Para construir el modelo, Gabor y sus colegas aplicaron la física directa de redes a los complejos detalles de la biología, y pudimos dejar claro, cuantitativo, y declaraciones genéricas sobre organismos fotosintéticos muy diversos.

"Nuestro modelo es la primera explicación basada en hipótesis de por qué las plantas son verdes, y proporcionamos una hoja de ruta para probar el modelo a través de experimentos más detallados, "Dijo Gabor.

La fotosíntesis puede considerarse como un fregadero de cocina, Gabor agregado, donde un grifo fluye agua hacia adentro y un desagüe permite que el agua fluya hacia afuera. Si el flujo hacia el fregadero es mucho mayor que el flujo hacia afuera, el fregadero se desborda y el agua se derrama por todo el suelo.

"En la fotosíntesis, si el flujo de energía solar hacia la red de captación de luz es significativamente mayor que el flujo de salida, la red fotosintética debe adaptarse para reducir el desbordamiento repentino de energía, ", dijo." Cuando la red no puede gestionar estas fluctuaciones, el organismo intenta expulsar la energía extra. Al hacerlo, el organismo sufre estrés oxidativo, que daña las células ".

Los investigadores se sorprendieron por lo general y simple que es su modelo.

"La naturaleza siempre te sorprenderá, "Dijo Gabor." Algo que parece tan complicado y complejo podría operar basado en algunas reglas básicas. Aplicamos el modelo a organismos en diferentes nichos fotosintéticos y continuamos reproduciendo espectros de absorción precisos. En biología, hay excepciones a todas las reglas, Tanto es así que encontrar una regla suele ser muy difícil. Asombrosamente, 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."

Próximo, 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.