När solljus som skiner på ett blad ändras snabbt, växter måste skydda sig från de plötsliga ökningarna av solenergi som följer. För att klara av dessa förändringar, fotosyntetiska organismer - från växter till bakterier - har utvecklat många taktiker. Forskare har inte kunnat, dock, för att identifiera den bakomliggande designprincipen.

Ett internationellt team av forskare, ledd av fysikern Nathaniel M. Gabor vid University of California, Riverside, har nu konstruerat en modell som återger ett allmänt drag av fotosyntetisk ljusskörd, observeras i många fotosyntetiska organismer.

Ljusskörd är insamling av solenergi av proteinbundna klorofyllmolekyler. I fotosyntesen – den process genom vilken gröna växter och vissa andra organismer använder solljus för att syntetisera livsmedel från koldioxid och vatten – börjar ljusenergiskörd med solljusabsorption.

Forskarnas modell lånar idéer från vetenskapen om komplexa nätverk, ett studieområde som utforskar effektiv drift i mobiltelefonnätverk, hjärnor, och elnätet. Modellen beskriver ett enkelt nätverk som kan mata in ljus i två olika färger, ändå producera en jämn takt av solenergi. Detta ovanliga val av endast två ingångar har anmärkningsvärda konsekvenser.

"Vår modell visar att genom att endast absorbera mycket specifika ljusfärger, fotosyntetiska organismer kan automatiskt skydda sig mot plötsliga förändringar - eller "buller" - i solenergi, vilket resulterar i anmärkningsvärt effektiv kraftomvandling, sa Gabor, en docent i fysik och astronomi, som ledde studien som visas idag i tidskriften Vetenskap . "Gröna växter verkar gröna och lila bakterier verkar lila eftersom endast specifika områden i spektrumet som de absorberar är lämpade för skydd mot snabbt föränderlig solenergi."

Gabor började först tänka på fotosyntesforskning för mer än ett decennium sedan, när han var doktorand vid Cornell University. Han undrade varför växter avvisade grönt ljus, det mest intensiva solljuset. Över åren, han arbetade med fysiker och biologer över hela världen för att lära sig mer om statistiska metoder och fotosyntesens kvantbiologi.

Richard Cogdell, en känd botaniker vid University of Glasgow i Storbritannien och en medförfattare till forskningsdokumentet, uppmuntrade Gabor att utöka modellen till att omfatta ett bredare utbud av fotosyntetiska organismer som växer i miljöer där det infallande solspektrumet är mycket olika.

"Spännande nog, vi kunde sedan visa att modellen fungerade i andra fotosyntetiska organismer förutom gröna växter, och att modellen identifierade en allmän och grundläggande egenskap hos fotosyntetisk ljusskörd, " sa han. "Vår studie visar hur, genom att välja var du absorberar solenergi i förhållande till det infallande solspektrumet, du kan minimera bruset på utgången – information som kan användas för att förbättra prestandan hos solceller."

Medförfattare Rienk van Grondelle, en inflytelserik experimentell fysiker vid Vrije Universiteit Amsterdam i Nederländerna som arbetar med de primära fysikaliska processerna för fotosyntes, sa att laget fann att absorptionsspektra för vissa fotosyntetiska system väljer vissa spektrala excitationsregioner som tar bort bruset och maximerar den lagrade energin.

"Denna mycket enkla designprincip skulle också kunna tillämpas vid utformningen av mänskligt tillverkade solceller, sa van Grondelle, som har stor erfarenhet av fotosyntetisk ljusskörd.

Gabor förklarade att växter och andra fotosyntetiska organismer har en mängd olika taktiker för att förhindra skador på grund av överexponering för solen, allt från molekylära mekanismer för energifrisättning till fysisk rörelse av bladet för att spåra solen. Växter har till och med utvecklat ett effektivt skydd mot UV-ljus, precis som i solkräm.

"I den komplexa processen med fotosyntes, det är tydligt att skyddet av organismen från överexponering är den drivande faktorn för framgångsrik energiproduktion, och det här är inspirationen vi använde för att utveckla vår modell, " sa han. "Vår modell innehåller relativt enkel fysik, ändå överensstämmer det med en stor uppsättning observationer inom biologin. Detta är anmärkningsvärt sällsynt. Om vår modell håller för fortsatta experiment, vi kan finna ännu mer överensstämmelse mellan teori och observationer, ger rik insikt i naturens inre verksamhet."

För att konstruera modellen, Gabor och hans kollegor tillämpade enkel fysik av nätverk på de komplexa detaljerna i biologi, och kunde klargöra, kvantitativ, och generiska uttalanden om mycket olika fotosyntetiska organismer.

"Vår modell är den första hypotesdrivna förklaringen till varför växter är gröna, och vi ger en färdplan för att testa modellen genom mer detaljerade experiment, " sa Gabor.

Fotosyntes kan ses som en diskbänk, Gabor lade till, där en kran rinner in vatten och ett avlopp låter vattnet rinna ut. Om flödet in i diskhon är mycket större än det utåtgående flödet, diskhon svämmar över och vattnet rinner ut över hela golvet.

"I fotosyntesen, om flödet av solenergi till ljusupptagningsnätverket är betydligt större än flödet ut, det fotosyntetiska nätverket måste anpassa sig för att minska det plötsliga överflödet av energi, " sa han. "När nätverket misslyckas med att hantera dessa fluktuationer, organismen försöker driva ut den extra energin. Genom att göra så, organismen genomgår oxidativ stress, som skadar celler."

Forskarna blev förvånade över hur generell och enkel deras modell är.

"Naturen kommer alltid att överraska dig, ", sa Gabor. "Något som verkar så komplicerat och komplext kan fungera baserat på några grundläggande regler. Vi tillämpade modellen på organismer i olika fotosyntetiska nischer och fortsätter att reproducera exakta absorptionsspektra. I biologi, det finns undantag från varje regel, så mycket att det vanligtvis är väldigt svårt att hitta en regel. Förvånande, we seem to have found one of the rules of photosynthetic life."

Gabor noted that over the last several decades, photosynthesis research has focused mainly on the structure and function of the microscopic components of the photosynthetic process.

"Biologists know well that biological systems are not generally finely tuned given the fact that organisms have little control over their external conditions, " he said. "This contradiction has so far been unaddressed because no model exists that connects microscopic processes with macroscopic properties. Our work represents the first quantitative physical model that tackles this contradiction."

Nästa, supported by several recent grants, the researchers will design a novel microscopy technique to test their ideas and advance the technology of photo-biology experiments using quantum optics tools.

"There's a lot out there to understand about nature, and it only looks more beautiful as we unravel its mysteries, " Gabor said.