Az Amazonas-medence legnagyobb fáitól az lakásunkban található szobanövényeken át a tengeri és tavi hínárokig a növények világában a zöld szín a meghatározó. De miért éppen a zöld, és miért nem a lila vagy a szürke? A rövid válasz a kérdésre az, hogy a növények a látható fény tartományából a vörös és a kék területek fotonjait csaknem maradéktalanul elnyelik, míg a zöld fotonok esetében csak 90 százalékot abszorbeálnak. Ha a zöld tartomány sugárzását is elnyelnék, feketének látnánk őket, mivel viszont a zöld fény az, amelyből vissza is vernek, ezért zöldnek látszanak.
Mindez ugyanakkor rendkívül pazarló taktikának tűnik, hiszen a napsugárzás energiájának java a látható spektrum zöld tartományába esik. A biológusok ennek kapcsán többször felvetették, hogy a zöld fény talán túlságosan erős a növények számára ahhoz, hogy károsodás nélkül hasznosítani tudják. A mögöttes okok – vagyis hogy miért úgy működik a növényi fotoszintézis, ahogy – azonban több évtizednyi molekuláris biológiai kutatás után sem voltak világosak.
Egy nemrégiben megjelent tanulmány azonban végre minden eddiginél teljesebb választ ad a növények színének kérdésére. A szerzők modellezték a növények fotoszintetikus rendszerének működését, hogy feltárják miért „pazarolják” azok a zöld színű fényt. Arra nem is számítottak, hogy az új modell más fotoszintetizáló életformák színére is magyarázatot adhat, de így történt. A vizsgálat eredményei azt sugallják, hogy a fényt hasznosító organizmusok evolúcióját olyan alapelvek vezérlik, amelyek talán az egész világegyetemben univerzálisak lehetnek.
Az új információk ráadásul arra is szép példát mutatnak, hogy a hatásfok nem minden, ha biológiai rendszerekről van szó: az is fontos, hogy a rendszer stabil legyen.
Az ideális napelem nyomában
Nathaniel Gabor, a Kaliforniai Egyetem fizikusa évekkel ezelőtt, még doktoranduszként kezdte vizsgálni a növények színének rejtélyét. A szén nanocsövek fényelnyeléséből kiindulva azt kezdte tanulmányozni, hogy milyen lenne az ideális napelem, amely a napsugárzás legnagyobb energiájú részeit nyeli el. Egy ilyen rendszer, mint hamar rájött, gyakorlatilag csak zöld fénnyel működne. Aminek kapcsán rögtön elkezdett gondolkodni azon, hogy vajon miért van az, hogy a növények nem így tesznek, hanem a zöld fény egy részét figyelmen kívül hagyják az energia hasznosításakor.
Gabor és kollégái 2016-ban megalkották egy optimális, szabályozott energiaáramlással rendelkező fototelektromos rendszer modelljét. A növények módszerének megértéséhez pedig bevonták a kutatásba Richard Cogdell botanikust, a Glasgow-i Egyetem kutatóját. A szakértők a növényi fotoszintézist a hálózatelmélet módszerével kezdték tanulmányozni.
A fotoszintézis első lépése az úgynevezett fénybegyűjtő komplexben, egy proteinek és pigmentek hálózatából álló struktúrában történik, amely egyfajta antennát formál. A pigmentek – a zöld növényekben klorofillok – elnyelik a fényt, és energiát közvetítenek a reakcióközpont felé, ahol a sejt kémiai energiává alakítja azt. A fotoszintézis ezen első szakaszának hatásfoka csaknem tökéletes: az elnyelt fény gyakorlatilag teljes mértékben később hasznosítható elektronokként továbbítódik.
A sejten belüli antennakomplex ugyanakkor folyamatosan mozgásban van. „Olyan mint a zselé” – mondja Gabor. Mozgásai pedig befolyásolják, hogyan áramlik keresztül az energia a pigmenteken, zajossá és alacsonyabb hatásfokúvá téve a rendszert. A növényt érő fény intenzitásának fluktuációja (például az árnyékok változása miatt) a bemenetet is eleve zajossá teszi. Pedig a sejtek számára az lenne a legjobb, ha beérkező energia mennyisége stabil szinten maradna, hiszen akkor ezt hasonlóan egyenletesen tudja kémiai energiává alakítani. Ha túl kevés elektron éri el a reakcióközpontot, az jelen esetben ugyanúgy kedvezőtlen, mint amikor túl sok részecske érkezik be egyszerre. Az előbbi esetben a rendszer munka nélkül marad, míg az utóbbinál szabadgyökök képződnek és egyéb túltöltődéssel járó hatások jelentkeznek, amelyek károsítják a szöveteket, magyarázza a kutató.
Gabor és kollégái kidolgozták a fénybegyűjtő rendszer működési modelljét, majd azt a lombszint alatti fényviszonyokra alkalmazták. Az eredmények világossá tették, hogy ami a napelemek esetében működik, az a növényeknél nem válik be. Míg a napcellák kapcsán magas hatásfokot lehet biztosítani, ha azokat úgy alakítják ki, hogy a zöld spektrum legmagasabb energiájú sugarait nyeljék el egy szűk sávban, ez a fajta specializáltság a növényeknek nem jó.
Természetes körülmények között ugyanis túl sokat változik a megvilágítottság, és így az energiabemenet ahhoz, hogy ilyen módon szabályozható energiatermelést lehessen megvalósítani.
A stabil kimeneti energiaszint elérése érdekében a növényi fotoszintézis pigmentjei ehelyett másként finomhangoltak. Ezeknek egyrészt hasonló hullámhosszokat kell elnyelniük, hogy a belső zajt csökkentsék. Másrészt viszont különböző ütemekben kell végezniük az elnyelést, hogy kompenzálni tudják a külső fényingadozás okozta intenzitáskülönbségeket. Ehhez pedig a legcélszerűbb fénytartományt a napfény intenzitási spektrumgörbéjének legmeredekebb része jelenti, vagyis a vörös és a kék hullámhosszak.
A modell által előre jelzett adatok megegyeztek a klorofill A és B abszorpciós görbéjének csúcsaival – ezeket használják a zöld növények a vörös és a kék fény hasznosításához. Megerősítést nyert tehát, hogy a fotoszintézis rendszere nem a maximális hatásfok elérésére alakult ki, hanem úgy fejlődött, hogy egyenletes és megbízható energiakimenetet tudjon biztosítani.
Univerzális elvek
Cogdell nem volt teljesen meggyőződve arról, hogy ez a stratégia más fotoszintetizáló organizmusokra is jellemző lehet. Így a szakértők a víz alatt élő lila és zöld kénbaktériumok esetében is megvizsgálták a modell helytállóságát. Ehhez megnézték, hogy milyen fényviszonyok között élnek a mikrobák, majd a modell révén megjósolták, hogy milyen az az abszorpciós görbe, amely egyenletes energiakimenetet biztosít. Az eredmény pedig ismételten egyezett a sejtekben ténylegesen megtalálható pigmentek fényelnyelési görbéjével.
A szakértők ezen a ponton ráébredtek, hogy valami egy egészen alapvető működési elvet tártak fel a fotoszintézis kapcsán, amely minden jel szerint univerzális, és meglepően egyszerű módon nagyon robusztus energiakimenetet képes biztosítani hektikusan változó fényviszonyok között is.
A szakértők azt remélik, hogy a fotoszintézis ezen újonnan felfedezett vezérlőelve a gyakorlatban is hasznosulhat, például hatékonyabb napelemek létrehozása révén. Bár a napelem-technológia az utóbbi évtizedekben óriási fejlődésen ment át, igazán robusztus és skálázható rendszereket még nem sikerült létrehozni, pedig a növények ezt a problémát réges-régen megoldották.
A modell egy másik érdekes felhasználási területét a Földön kívüli élet kutatása jelentheti, mondja Gabor.
Általa ugyanis megmondható lehet, hogy egy adott csillagtól bizonyos távolságban keringő bolygón a jellemző légköri viszonyok mellett milyen típusú fotoszintetizáló életformák létezhetnek. A kutatócsoport szabadon hozzáférhetővé tette a modell kódját, amellyel elvileg bármilyen spektrum kapcsán lejátszható, amit a szakértők a Nap látható sugárzásával elvégeztek. Jelenleg a kutatás ezen, exoplanetáris része tisztán elméleti, a következő 20 évben azonban várhatóan elkezdenek bejönni olyan adatok is a Naprendszeren kívüli planétákról, amelyek alapján akár a potenciális növényvilág domináns színére is következtethetünk majd, teszi hozzá Gabor.
