Quando a luz do sol brilhando em uma folha muda rapidamente, as plantas devem se proteger das ondas repentinas de energia solar que se seguem. Para lidar com essas mudanças, organismos fotossintéticos - de plantas a bactérias - desenvolveram inúmeras táticas. Os cientistas não conseguiram, Contudo, para identificar o princípio de design subjacente.

Uma equipe internacional de cientistas, liderado pelo físico Nathaniel M. Gabor da Universidade da Califórnia, Riverside, agora construiu um modelo que reproduz uma característica geral da coleta de luz fotossintética, observada em muitos organismos fotossintéticos.

A coleta de luz é a coleta de energia solar por moléculas de clorofila ligadas a proteínas. Na fotossíntese - o processo pelo qual as plantas verdes e alguns outros organismos usam a luz solar para sintetizar alimentos a partir do dióxido de carbono e da água - a coleta de energia da luz começa com a absorção da luz solar.

O modelo dos pesquisadores pega emprestado ideias da ciência de redes complexas, um campo de estudo que explora a operação eficiente em redes de telefonia celular, cérebros, e a rede elétrica. O modelo descreve uma rede simples que é capaz de inserir luz de duas cores diferentes, ainda produz uma taxa constante de energia solar. Essa escolha incomum de apenas duas entradas tem consequências notáveis.

"Nosso modelo mostra que, ao absorver apenas cores de luz muito específicas, organismos fotossintéticos podem se proteger automaticamente contra mudanças repentinas - ou 'ruído' - na energia solar, resultando em conversão de energia extremamente eficiente, "disse Gabor, um professor associado de física e astronomia, que liderou o estudo que aparece hoje na revista Ciência . "As plantas verdes parecem verdes e as bactérias roxas aparecem como roxas porque apenas regiões específicas do espectro das quais elas absorvem são adequadas para proteção contra as mudanças rápidas da energia solar."

Gabor começou a pensar sobre a pesquisa de fotossíntese há mais de uma década, quando ele era um estudante de doutorado na Universidade Cornell. Ele se perguntou por que as plantas rejeitaram a luz verde, a luz solar mais intensa. Ao longo dos anos, ele trabalhou com físicos e biólogos em todo o mundo para aprender mais sobre métodos estatísticos e a biologia quântica da fotossíntese.

Richard Cogdell, um botânico renomado da Universidade de Glasgow, no Reino Unido e co-autor do artigo de pesquisa, encorajou Gabor a estender o modelo para incluir uma gama mais ampla de organismos fotossintéticos que crescem em ambientes onde o espectro solar incidente é muito diferente.

"Incrivelmente, pudemos então mostrar que o modelo funcionou em outros organismos fotossintéticos além das plantas verdes, e que o modelo identificou uma propriedade geral e fundamental da coleta de luz fotossintética, "disse ele." Nosso estudo mostra como, escolhendo onde você absorve energia solar em relação ao espectro solar incidente, você pode minimizar o ruído na saída - informações que podem ser usadas para melhorar o desempenho das células solares. "

Co-autor Rienk van Grondelle, um físico experimental influente da Vrije Universiteit Amsterdam, na Holanda, que trabalha nos processos físicos primários da fotossíntese, disse que a equipe descobriu que os espectros de absorção de certos sistemas fotossintéticos selecionam certas regiões de excitação espectral que cancelam o ruído e maximizam a energia armazenada.

"Este princípio de design muito simples também pode ser aplicado no design de células solares feitas pelo homem, "disse Van Grondelle, que tem vasta experiência com coleta de luz fotossintética.

Gabor explicou que as plantas e outros organismos fotossintéticos têm uma grande variedade de táticas para evitar danos devido à superexposição ao sol, variando de mecanismos moleculares de liberação de energia ao movimento físico da folha para rastrear o sol. As plantas até desenvolveram proteção eficaz contra a luz ultravioleta, assim como no protetor solar.

"No complexo processo de fotossíntese, é claro que proteger o organismo da superexposição é o fator que impulsiona a produção de energia bem-sucedida, e esta é a inspiração que usamos para desenvolver nosso modelo, "disse ele." Nosso modelo incorpora física relativamente simples, no entanto, é consistente com um vasto conjunto de observações em biologia. Isso é extremamente raro. Se nosso modelo suporta experimentos contínuos, podemos encontrar ainda mais acordo entre teoria e observações, dando uma rica visão sobre o funcionamento interno da natureza. "

Para construir o modelo, Gabor e seus colegas aplicaram a física direta de redes aos detalhes complexos da biologia, e foram capazes de deixar claro, quantitativo, e declarações genéricas sobre organismos fotossintéticos altamente diversos.

"Nosso modelo é a primeira explicação baseada em hipóteses de por que as plantas são verdes, e damos um roteiro para testar o modelo por meio de experimentos mais detalhados, "Disse Gabor.

A fotossíntese pode ser considerada uma pia de cozinha, Gabor acrescentou, onde uma torneira flui água e um dreno permite que a água flua para fora. Se o fluxo para a pia for muito maior do que o fluxo de saída, a pia transborda e a água se espalha pelo chão.

"Na fotossíntese, se o fluxo de energia solar na rede de coleta de luz for significativamente maior do que o fluxo de saída, a rede fotossintética deve se adaptar para reduzir o súbito fluxo excessivo de energia, "disse ele." Quando a rede não consegue gerenciar essas flutuações, o organismo tenta expelir a energia extra. Ao fazer isso, o organismo sofre estresse oxidativo, que danifica as células. "

Os pesquisadores ficaram surpresos com o quão geral e simples é seu modelo.

"A natureza sempre vai te surpreender, "Gabor disse." Algo que parece tão complicado e complexo pode operar com base em algumas regras básicas. Aplicamos o modelo a organismos em diferentes nichos fotossintéticos e continuamos a reproduzir espectros de absorção precisos. Em biologia, existem exceções para todas as regras, tanto que encontrar uma regra geralmente é muito difícil. Surpreendentemente, parece que encontramos uma das regras da vida fotossintética. "

Gabor observou que nas últimas décadas, a pesquisa em fotossíntese tem se concentrado principalmente na estrutura e função dos componentes microscópicos do processo fotossintético.

"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."

Próximo, 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.