Новая модель фотосинтеза вывела эволюционный принцип, согласно которому питающаяся светом растительность не может быть другого цвета, кроме как зеленого. И это правило действует во всей Вселенной.
Земные растения зеленые потому, что их фотосинтетические пигменты отражают зеленый свет. При этом на данных длинах волн передается гораздо больше энергии. Почему же растения их «отвергают»? Ученые, наконец, нашли ответ.
Растения поглощают почти все фотоны в красной, а также синей областях спектра, и только около 90% — в зеленой. Если бы они поглощали больше зеленого спектра, то выглядели бы черными. Но это расточительно — упускать энергию, которой питаешься, тем более что зеленая часть спектра — самая «калорийная».
Существует предположение, что зеленый свет может быть слишком мощным для растений, из-за чего может наносить вред. Это действительно так — получен исчерпывающий ответ. При этом ученые не ожидали, что созданная ими модель также предскажет цвет фотосинтетических форм жизни на других планетах.
В ходе исследования был выявлен эволюционный принцип, управляющий организмами, питающимися светом, который может применяться во всей Вселенной — стабильность важнее эффективности.
Натаниэль Габор, физик из Университета Калифорнии в Риверсайде, изучая процесс поглощения света углеродными нанотрубками, задумался о том, как должен выглядеть идеальный солнечный коллектор, впитывающий максимум энергии солнечного спектра. «У вас должно быть устройство, использующее максимальную мощность зеленого света. А потом мне сразу пришло в голову, что растения делают обратное: они «выплевывают» зеленый свет».
Чтобы понять, почему растения отражают зеленый свет, Габор и команда ученых, в которую входил, в частности, ботаник Ричард Когделл из Университета Глазго, внимательно изучили, что происходит во время фотосинтеза.
Первый этап фотосинтеза происходит в хлорофиллах, которые, словно антенны, поглощают свет и передают энергию в реакционный центр, где вырабатывается химическая энергия, необходимая для клеток. Эффективность данной квантово-механической стадии фотосинтеза почти идеальна — весь поглощаемый свет преобразуется в электроны.
Но «антенный комплекс» находится в постоянном движении. «Движение влияет на то, как энергия течет сквозь пигменты, из-за чего появляется шум, а эффективность снижается». На эффективность также влияет интенсивность света, падающего на растения.
Естественно, ради безопасности колебаний следует избегать, предпочитая постоянный ввод электрической энергии в сочетании с постоянным выходом химической энергии. «Слишком малое количество электронов, достигающих реакционного центра, может вызвать перебои питания, в то время как слишком большое количество энергии вызовет эффект перезарядки, способный повредить ткани», — говорит Габор.
Проще говоря, сбор пиковой энергии в зеленом спектре света вреден для растений: когда солнечный свет мерцает, шум входного сигнала будет слишком сильно колебаться, а система не сможет регулировать поток энергии.
Для безопасного и стабильного выхода энергии пигменты фотосистемы должны быть очень точно настроены. Гораздо более стабильные потоки энергии находятся на концах солнечного спектра, а не в середине, — в красной и синей. Похоже, что фотосинтез у растений развивался не для максимальной эффективности, а для получения равномерного и безопасного питания.
