Quando la luce del sole che splende su una foglia cambia rapidamente, le piante devono proteggersi dai conseguenti improvvisi sbalzi di energia solare. Per far fronte a questi cambiamenti, gli organismi fotosintetici, dalle piante ai batteri, hanno sviluppato numerose tattiche. Gli scienziati non sono stati in grado, però, identificare il principio progettuale sottostante.

Un team internazionale di scienziati, guidato dal fisico Nathaniel M. Gabor presso l'Università della California, lungo il fiume, ha ora costruito un modello che riproduce una caratteristica generale della raccolta della luce fotosintetica, osservato in molti organismi fotosintetici.

La raccolta della luce è la raccolta di energia solare da parte delle molecole di clorofilla legate alle proteine. Nella fotosintesi, il processo mediante il quale le piante verdi e alcuni altri organismi utilizzano la luce solare per sintetizzare gli alimenti dall'anidride carbonica e dall'acqua, la raccolta dell'energia luminosa inizia con l'assorbimento della luce solare.

Il modello dei ricercatori prende in prestito idee dalla scienza delle reti complesse, un campo di studio che esplora il funzionamento efficiente nelle reti cellulari, cervello, e la rete elettrica. Il modello descrive una semplice rete in grado di immettere luce di due colori diversi, ancora produrre un tasso costante di energia solare. Questa scelta insolita di soli due ingressi ha conseguenze notevoli.

"Il nostro modello mostra che assorbendo solo colori molto specifici della luce, gli organismi fotosintetici possono proteggersi automaticamente dai cambiamenti improvvisi - o dal "rumore" - nell'energia solare, con conseguente conversione di potenza notevolmente efficiente, " disse Gabor, professore associato di fisica e astronomia, che ha guidato lo studio apparso oggi sulla rivista Scienza . "Le piante verdi appaiono verdi e i batteri viola appaiono viola perché solo regioni specifiche dello spettro da cui assorbono sono adatte per la protezione contro l'energia solare in rapida evoluzione".

Gabor ha iniziato a pensare alla ricerca sulla fotosintesi più di dieci anni fa, quando era uno studente di dottorato alla Cornell University. Si chiedeva perché le piante rifiutassero la luce verde, la luce solare più intensa. Negli anni, ha lavorato con fisici e biologi di tutto il mondo per saperne di più sui metodi statistici e sulla biologia quantistica della fotosintesi.

Richard Cogdell, un rinomato botanico dell'Università di Glasgow nel Regno Unito e coautore del documento di ricerca, ha incoraggiato Gabor ad estendere il modello per includere una gamma più ampia di organismi fotosintetici che crescono in ambienti in cui lo spettro solare incidente è molto diverso.

"Eccitante, siamo quindi stati in grado di dimostrare che il modello funzionava in altri organismi fotosintetici oltre alle piante verdi, e che il modello ha identificato una proprietà generale e fondamentale della raccolta della luce fotosintetica, " ha detto. "Il nostro studio mostra come, scegliendo dove assorbire l'energia solare in relazione allo spettro solare incidente, puoi ridurre al minimo il rumore in uscita, informazioni che possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni delle celle solari."

Coautore Rienk van Grondelle, un influente fisico sperimentale della Vrije Universiteit Amsterdam nei Paesi Bassi che lavora sui processi fisici primari della fotosintesi, ha detto che il team ha scoperto che gli spettri di assorbimento di alcuni sistemi fotosintetici selezionano determinate regioni di eccitazione spettrale che annullano il rumore e massimizzano l'energia immagazzinata.

"Questo principio di progettazione molto semplice potrebbe essere applicato anche nella progettazione di celle solari prodotte dall'uomo, " disse van Grondelle, che ha una vasta esperienza con la raccolta della luce fotosintetica.

Gabor ha spiegato che le piante e altri organismi fotosintetici hanno un'ampia varietà di tattiche per prevenire i danni dovuti alla sovraesposizione al sole, che vanno dai meccanismi molecolari di rilascio di energia al movimento fisico della foglia per seguire il sole. Le piante hanno persino sviluppato una protezione efficace contro i raggi UV, proprio come nella crema solare.

"Nel complesso processo di fotosintesi, è chiaro che proteggere l'organismo dalla sovraesposizione è il fattore trainante per una produzione energetica di successo, e questa è l'ispirazione che abbiamo usato per sviluppare il nostro modello, " ha detto. "Il nostro modello incorpora fisica relativamente semplice, tuttavia è coerente con un vasto insieme di osservazioni in biologia. Questo è straordinariamente raro. Se il nostro modello regge a continui esperimenti, potremmo trovare ancora più accordo tra teoria e osservazioni, dando una ricca visione del funzionamento interno della natura."

Per costruire il modello, Gabor e i suoi colleghi hanno applicato la fisica delle reti ai complessi dettagli della biologia, e hanno saputo chiarire, quantitativo, e affermazioni generiche su organismi fotosintetici altamente diversi.

"Il nostro modello è la prima spiegazione basata su ipotesi del perché le piante sono verdi, e diamo una tabella di marcia per testare il modello attraverso esperimenti più dettagliati, " ha detto Gabor.

La fotosintesi può essere pensata come un lavello da cucina, Gabor ha aggiunto, dove un rubinetto fa scorrere l'acqua e uno scarico consente all'acqua di defluire. Se il flusso nel lavandino è molto più grande del flusso in uscita, il lavandino trabocca e l'acqua si rovescia sul pavimento.

"Nella fotosintesi, se il flusso di energia solare nella rete di raccolta della luce è significativamente maggiore del flusso in uscita, la rete fotosintetica deve adattarsi per ridurre l'improvviso traboccamento di energia, " ha detto. "Quando la rete non riesce a gestire queste fluttuazioni, l'organismo tenta di espellere l'energia in eccesso. Così facendo, l'organismo è sottoposto a stress ossidativo, che danneggia le cellule”.

I ricercatori sono rimasti sorpresi da quanto sia generale e semplice il loro modello.

"La natura ti sorprenderà sempre, " ha detto Gabor. "Qualcosa che sembra così complicato e complesso potrebbe funzionare sulla base di poche regole di base. Abbiamo applicato il modello a organismi in diverse nicchie fotosintetiche e continuiamo a riprodurre spettri di assorbimento accurati. In biologia, ci sono eccezioni a ogni regola, tanto che trovare una regola di solito è molto difficile. Sorprendentemente, sembra che abbiamo trovato una delle regole della vita fotosintetica."

Gabor ha osservato che negli ultimi decenni, la ricerca sulla fotosintesi si è concentrata principalmente sulla struttura e sulla funzione dei componenti microscopici del processo fotosintetico.

"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."

Prossimo, 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.