Miért zöldek a növények?

A növényeknek (illetve mindenféle fotoszintetizáló élőlénynek) folyamatosan változó fényviszonyok mellett kell kinyerniük a megfelelő mennyiségű energiát a beérkező fényből úgy, hogy közben képesek legyenek kihasználni a kevéske energiát is, és képesek legyenek túlélni a hirtelen nagy erővel érkezőt is. Az, hogy ezt miként teszik meg, rejtély.

A Kaliforniai Egyetem (Riverside) kutatója, Nathaniel M. Gabor vezetésével nemrégiben született, és a neves Science-ben megjelent tanulmány egy új modellt készített arra, hogy miként is oldják meg a fenti feladatot a növények és más organizmusok.

A fény energiájának megcsapolását a fehérjékhez kötődő klorofill molekulák végzik, s az így nyert energiát használják fel ahhoz, hogy a vízből, szén-dioxidból és szervetlen anyagokból tápanyagokat állítsanak elő. A fényenergia hasznosítása a fény elnyelésével kezdődik. A kutatócsoport e folyamat modellezéséhez olyan, komplex hálózatok hatékony működését leíró modellekhez fordult, mint pl. az agy, az elektromos hálózat, vagy a mobiltelefon-hálózat. A modellben egy olyan, egészen egyszerű hálózatot alkottak, amely kétféle színű fény elnyelésére képes, ám ennek ellenére azonos energiát szolgáltat. Már pusztán az ilyen, kétféle bemeneti állapotnak is érdekes következményei lettek.

„A modellünk szerint azzal, ha az élőlény csak bizonyos színű fényt nyel el, képes megvédeni magát a hirtelen változások hatásaitól, vagyis attól, amit zajnak nevezhetünk jelfeldolgozási értelemben, s ezzel a módszerrel igencsak hatékonyan tudják átalakítani az energiát” – magyarázta Gabor, aki fizikus egyetemi docens a Kaliforniai Egyetemen, és a kutatást vezette. „A zöld növények azért zöldek, illetve a bíborszínű baktériumok azért bíborszínűek, mert számukra a fény spektrumának csak egy kis része alkalmas arra, hogy kivédjék a hirtelen fényváltozások káros hatásait.” Gabor még doktori kutatóként, kb. egy évtizede kezdett el azon gondolkodni, hogy miért utasítják vissza a növények pont a zöld fényt, amely a napfény legintenzívebb hullámhossz-tartományú része. Fizikusokkal és biológusokkal dolgozott együtt azért, hogy megpróbáljon többet megtanulni a fotoszintézis kvantumbiológiai hátteréről és statisztikai modellezésről. Richard Cogdell, a tanulmány társszerzője, a Glasgow-i Egyetem kutatója arra ösztönözte Gabort, hogy többféle fotoszintetizáló élőlényre, így olyan fényviszonyokra is vizsgálja meg a hatást, amelyek életterében a beeső napfény spektruma igencsak eltérő. „Bebizonyítottuk, hogy a modell nemcsak a zöld növények körében működőképes, és úgy tűnik, a fotoszintézis egy alapvető és általános tulajdonságára sikerült rájönnünk. A tanulmányunk bemutatja, hogy amennyiben az élőlény a napfény spektrumának megfelelő részét választja energia kinyerésére, úgy minimálisra tudja csökkenteni a beérkező zajt, és optimalizálni a leadott energiát. Ez a módszer a napelemek működésének javítására is alkalmas lesz” – magyarázta Cogdell.

A fotoszintézis során a növénynek szabályoznia kell azt az energiamennyiséget, amelyet elnyelhet. Ha a növényt érő napfény hirtelen megnövekszik, s a növény nem tudja szabályozni az elnyelt energiát, akkor a túlcsorduló energia oxidatív stresszhez vezet, az pedig károsítja a növény sejtjeit.

Gabor elmondta, hogy a növények számtalan stratégiát dolgoztak ki arra, hogy elkerüljék a napsugárzás káros hatásait, pl. egyes növények elfordítják vagy összezárják a levelüket, mások pedig molekuláris szinten védekeznek, még az ultraibolya sugárzás ellen is. „Az világos, hogy a fotoszintézis komplex energiatermelő folyamatának egyik vezérlő elve a védekezés a káros sugárzás ellen, ez adta az alapját a modellünknek is. Nagyon egyszerű fizika rejlik mögötte, mégis számtalan biológiai megfigyelés igazolja a valódiságát, ami igencsak ritka dolog. Ha a további kísérletekben bebizonyosodik, hogy a körülmények egészen széles körében is igaz az így talált elv, s még pontosítani is tudunk a modellen, akkor a természet belső működésébe nyerünk bepillantást.”