Vedoucí výzkumného kolektivu profesor Nathaniel M. Gabor je nositelem celé řady ocenění, včetně Presidential Early Career Award ve vědě a strojírenství (PECASE), ceny udělovanou vládou USA. Od loňského roku je členem Národní akademie věd. (Kredit: UNIVERSITY OF CALIFORNIA, RIVERSIDE).

Nudné dětské otázky jsou záludné. Připadají nám hloupé, protože se týkají zejména samozřejmých a zažitých věcí, o kterých už nepřemýšlíme. Důvod proč nám přijdou otravné zřejmě spočívá v tom, že kdybychom se je snažili poctivě zodpovědět, neuspějeme a přivoláme pocit méněcennosti z toho, jak málo chápeme věci kolem sebe. Typickým příkladem je dotaz: Proč jsou rostliny zelené? I tahle skutečnost bude mít příčinu, i kdyby to měla být pouhá náhoda, čemuž věří málokdo.

Zelené rostliny jsou s to pohlcovat celé viditelné světelné spektrum duhy od modré po tmavě červenou barvu. Nicméně liší se míra pohlcování jednotlivých barev. Zatímco modrá a červená je filtrována mohutně zelená jen zčásti. Nezachycený zbytek po podráždění sítnice vyvolá vizi zeleného zbarvení. Tahle vlastnost dopaluje více fyziky než specialisty na biologii. Nechápou, jak to, že se rostliny zbavují části energie obsažené v nejhojnější složce viditelného spektra slunečního záření, kterou by klidně mohly využít pro anabolické reakce metabolismu - jinými slovy k pohonu fotosyntézy. Jestliže by byl po vzoru inteligentního designu zadán úkol stvořit nový svět a na něm sestavit rostlinstvo de novo od základů, fyzik by jej vyvedl v barevném provedení fotovoltaického panelu.

S odmítáním zeleného světla to není až tak žhavé a na zdejším webu byl tématu věnován článek (https://www.osel.cz/8891-je-zelene-svetlo-pro-rostliny-neuzitecne.html). Pokud si na něho už nevzpomínáte, zde je rekapitulace toho podstatného. Rostliny zeleným světlem pohrdají, ale mnohdy jen jeho menší částí. Nejméně zeleného záření pohlcují měkké listy salátu (50 %). Opačnou stranu stupnice obsazují tuhé listy, které ho zadrží až 90 %. Zároveň fluorescenční studie potvrdila, že absorbovaná kvanta zeleného světla napájí fotosyntézu úplně stejně kvalitně jako kvanta pocházející od červených nebo modrých paprsků. Zjištění poněkud tupí význam v inteligentním designu vytvářet černé rostliny, přesto to neodpovídá na otázku z nadpisu - Proč se mezi modrou a červenou částí spektra nachází mezera v pohltivosti?

Solidní stopu poskytl mezinárodní tým vědců vedený Nathanielem M. Gaborem z University of California. Vědce uchvátilo zachytávání fotonů fotosyntetickými organismy. Kvantová účinnost sběru se blíží 100 %, což znamená, že jeden foton obrazně nakopne jeden elektron. Systém pracuje efektivně, nezávisle na proměnách světelného prostředí a pořád stejně robustně napříč fotosyntetickým životem, ačkoliv se struktura a složení sběrného aparátu liší. Proto hledali společné principy, které by přinesly hlubší pochopení a třeba i šly zužitkovat pro návrh lepších zařízení pro solární energetiku. Určitě ani oni sami nečekali, že se jim povede pouze s aplikaci jednoduché fyziky odvodit absorpční charakteristiku sběrného aparátu různých fototrofů s výmluvnou přesností, aniž by se zabývali kvantovými netrivialnostmi a přitom pravděpodobně ještě odpovědět na otázku: Proč rostliny nejeví přehnaný zájem o zelené světlo?

Známe-li světelné spektrum dopadající na sběrný aparát, umíme odhadnout absorpční vlastnosti fotosystému. (Kredit: jp)

Aby badatelé dospěli k předkládanému řešení, počali přistupovat k sběru a dopravě světelné energie na místo určení jako k síti. Nejlépe jejich počínání osvětlí připodobnění k rozvodné elektrické síti. V ideálním případě dodávka elektřiny z elektrárny do rozvodné soustavy a ven z ní do spotřebiče je vyrovnaná. To se v praxi většinou neděje. Dodávka do sítě mnohdy převyšuje spotřebu a naopak. Vznikají tím výkyvy, které v původní publikaci autoři často označují za šum. Soustava musí být na výskyt šumu připravena a kompenzovat ho, neboť nezvládnou-li regulační mechanismy utlumit fluktuace, hrozí poškození třeba transformátoru a zákazníkovi, že si nepřipraví v rychlovarné konvici vodu na oblíbenou kávu. V horším případě spotřebič citlivý na takové hrubé chování odejde na onen svět .

Extrakce světla z prostředí probíhá na chlup stejně. Pohlcení dopadajícího světla má na starost mohutný molekulární komplex obsahující barviva nazývaný anténa. Absorpce světla na anténě je analogií vstupu elektřiny do sítě. Mimo pohlcování světla spočívá úloha antény v přepravě ukořistěné energie přes řetězec (síť) postupně vybuzených molekul na místo spotřeby. Předání energie z antény reakčnímu fotochemickému centru odpovídá odběru elektřiny spotřebičem ze sítě.

Původ kolísání energetického toku molekulární sítí antény souvisí s proměnlivostí intenzity osvětlení, ale také s vnitřními molekulárními procesy v komplexu. Pokud hodnota rychlosti přívodu energie na výstupu tráví příliš času pod optimální nebo nad optimální hladinou, fotosyntéza se stává méně efektivní. Buď není reakční centrum dostatečně nasyceno nebo je přesyceno a produkuje reaktivní látky, které napadají biostruktury a nastává fotoinhibice. Proto rostliny disponují celou řadou protektivních taktik proti přílišné sluneční expozici.

Proč rostliny nejeví přehnaný zájem o zelené světlo? Protože raději upřednostňují stabilitu před krátkozrakou hamižností. (Kredit: jp)

Dle teorie by anténa fotosystému při pohlcování jednoho kanálu (jedné vlnové délky) měla dosahovat nejmenšího vnitřního šumu. Na druhou stranu by příspěvek vnějšího šumu zanesený na vstupu z rychlých změn slunečního ozáření vyletěl ke stropu. Ovšem existuje kompromisní řešení. Je-li anténa naladěná na dvou kanálech, zvýší se sice vnitřní šum, ale poklesne vnější. Výběr dvoukanálového uspořádání je ve studii jedinou a klíčovou věcí odkoukanou z toho, jak to funguje u fototrofů v přírodě. Ostatní už pochází z nezávislého šetření.

Vědci vypůjčením si obecného modelu sítě, přišli na to, že kolísání na výstupu z antény v dvoukanálovém uspořádání je nejnižší v případě splnění dvou podmínek. Oba kanály musí ležet těsně u sebe a lišit se mírou absorpce. Druhá podmínka může být splněna na částech křivky intenzity slunečního spektra s nejstrmějším ať vzrůstajícím nebo klesajícím průběhem (právě modrá a červená oblast - nikoliv vrchol v zelené oblasti). Jenom díky těmto závěrům byli výzkumníci schopni rekonstruovat polohou maximální pohltivosti fotosystému pozemních rostlin a organismů zpracovávající světlo pozměněné průchodem vodní vrstvou, jako jsou růžové a zelené sirné bakterie. Navíc to dokázali přesněji, než vám v akreditované laboratoři změří hladinu krevního cukru. Ukazuje to, že rostliny tak upřednostnily ochranu proti fluktuacím z prostředí před touhou zvýšit energetický příjem.

Neotřesitelná pevnost předpovědi se opírá o nalezená univerzální pravidla platící pro všechny biologické objekty bez výjimek, což nebývá obvyklé. Zní to úžasně. Nyní stačí znát světelné spektrum dopadající na sběrný aparát a z něho odhadnout absorpční vlastnosti fotosystému a to snad i u organismů obývajících cizí planety. O novém objevu se jistě bude hodně diskutovat. Budou se provádět další porovnání s přírodou a navrhovat různé experimenty. Neutrpí-li při prověřování na věrohodnosti, skončí v učebnicích.

Literatura

Trevor B. Arp, et al.: Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra. Science 26 Jun 2020:
Vol. 368, Issue 6498, pp. 1490-1495. DOI: 10.1126/science.aba6630