Quando la luce del sole che splende su una foglia cambia rapidamente, le piante devono proteggersi dai conseguenti improvvisi picchi di energia solare. Per far fronte a questi cambiamenti, gli organismi attivano la fotosintesi.
Tuttavia, gli scienziati non sono stati in grado di identificare il principio progettuale sottostante. Un team internazionale di scienziati, guidato dal fisico Nathaniel M. Gabor dell’Università della California, a Riverside, ha ora costruito un modello che riproduce la fotosintesi.
Piante verdi, come riprodurre la fotosintesi
La raccolta leggera è la raccolta di energia solare da parte di molecole di clorofilla legate alle proteine. Nella fotosintesi, il processo attraverso il quale le piante verdi e alcuni altri organismi usano la luce solare per sintetizzare gli alimenti dall’anidride carbonica e dall’acqua , la raccolta di energia leggera inizia con l’assorbimento della luce solare.
Il modello riprodotto prende in prestito idee dalla scienza delle reti complesse, un campo di studio che esplora il funzionamento efficiente nelle reti di telefoni cellulari, cervelli e rete elettrica. Il modello descrive una rete semplice che è in grado di immettere luce di due colori diversi, producendo tuttavia un tasso costante di energia solare. Questa insolita scelta di solo due ingressi ha conseguenze notevoli.
“Il nostro modello mostra che assorbendo solo colori molto specifici, gli organismi fotosintetici possono automaticamente proteggersi da improvvisi cambiamenti nell’energia solare, risultando in una conversione di potenza notevolmente efficiente”, ha affermato Gabor, che ha guidato lo studio pubblicato sulla rivista Science.
Le piante verdi appaiono batteri verdi e viola appaiono viola perché solo regioni specifiche dello spettro da cui assorbono sono adatte per la protezione contro l’energia solare in rapido cambiamento. Gabor ha iniziato a pensare alla ricerca sulla fotosintesi più di un decennio fa. Si chiedeva perché le piante respingessero la luce verde, la luce solare più intensa. Nel corso degli 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 a 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.
Tecniche utilizzate dalle piante per proteggersi
Incredibilmente, sono stati in grado di dimostrare che il modello ha funzionato in altri organismi fotosintetici oltre alle piante verdi e che il modello ha identificato una proprietà generale e fondamentale della raccolta della luce fotosintetica. Inoltre hanno mostrato come, scegliendo dove assorbire l’energia solare in relazione allo spettro solare incidente, è possibile ridurre al minimo il rumore sull’uscita, informazioni che possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni delle celle solari.
Gabor ha spiegato che le piante e altri organismi fotosintetici hanno un’ampia varietà di tattiche per prevenire danni dovuti alla sovraesposizione al sole. Le piante hanno persino sviluppato un’efficace protezione contro i raggi UV, proprio come nella protezione solare. Per costruire il modello, Gabor e i suoi colleghi hanno applicato la fisica semplice delle reti ai complessi dettagli della biologia e sono stati in grado di fare dichiarazioni chiare, quantitative e generiche su organismi fotosintetici molto diversi .
La fotosintesi può essere pensata come un lavello della cucina, ha aggiunto Gabor, in cui un rubinetto fa scorrere l’acqua e uno scarico permette all’acqua di defluire. Se il flusso nel lavandino è molto più grande del flusso verso l’esterno, il lavandino trabocca e l’acqua si riversa su tutto il pavimento.
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. Successivamente i ricercatori progetteranno una nuova tecnica di microscopia per testare le loro idee e far avanzare la tecnologia degli esperimenti di foto-biologia usando strumenti di ottica quantistica.
