Почему растения зеленые?

Когда солнечный свет светит на стремительно изменяет лист, растения должны защитить себя от последующих внезапных скачков солнечной энергии. Чтобы справиться с этими изменениями, фотосинтезирующих организмов-от растений до бактерий, разработали множество тактик. Ученые, однако, удалось выявить основной принцип конструкции.

Международная группа ученых, возглавляемая физиком Натаниэль М. Габор в Университете Калифорнии, Риверсайд, теперь построили модель, которая воспроизводит общая характеристика сбора фотосинтетического света, наблюдается во многих фотосинтезирующих организмов.

Заготовка свет является сбор солнечной энергии на белок-связанных молекул хлорофилла. В фотосинтез процесс, при котором зеленые растения и некоторые другие организмы используют солнечный свет для синтеза продуктов из углекислого газа и воды — светособирающие энергии начинается с поглощения солнечного света.

Модель исследователей заимствует идеи из науки о сложных сетей, в области знаний, которая исследует эффективность работы мобильных сетей, мозги, и электросеть. Модель описывает простую сеть, которая способна ввода света из двух разных цветов, но на выходе стабильно-солнечная энергия. Такой необычный выбор только из двух входов имеет замечательные последствия.

«Наша модель показывает, что, поглощая только определенные цвета света, фотосинтезирующих организмов может автоматически защитить себя от внезапных изменений, или «шума» — в солнечной энергии, приводящ к в удивительно эффективного преобразования энергии», — сказал Габор, доцент физики и астрономии, который вел исследования, опубликованного сегодня в журнале Science. «Зеленые растения появляются зеленые и пурпурные бактерии фиолетовый цвет, потому что только для определенных областей спектра, который они впитывают, подходят для защиты от быстро меняющейся солнечной энергии.»

Первый Габор начал думать о фотосинтезе исследований более десяти лет назад, когда он был докторантом в университете Корнелла. Он удивлялся, почему растения отклонил зеленый свет, наиболее интенсивный солнечный свет. На протяжении многих лет он работал с физиками и биологами по всему миру, чтобы узнать больше о статистических методах и квантовой биологии-фотосинтез.

Ричард Cogdell, ботаник из Университета Глазго в Великобритании и соавтор научной работы, рекомендуется Габор, чтобы расширить модель, включив в нее более широкий спектр фотосинтезирующих организмов, которые растут в условиях падающего солнечного спектра очень разная.

«Возбуждающе, тогда нам удалось показать, что модели работали в других фотосинтезирующих организмов, кроме зеленых растений, и что модели были выделены общее и фундаментальное свойство уборки фотосинтетического света», — сказал он. «Наше исследование показывает, как, выбирая, куда вы поглощаете солнечную энергию в связи с инцидентом солнечного спектра, можно свести к минимуму шума на выходе-информация, которая может быть использована для повышения эффективности солнечных батарей.»

Соавтор Rienk Ван Grondelle, влиятельный физик-экспериментатор в Брюссельском свободном университете Амстердама в Голландии, который работает на первичные физические процессы фотосинтеза, сказал, что команда нашла спектры поглощения некоторых фотосинтетической системы выбора определенных спектральных областей возбуждения, которые отменить шум и увеличить энергию.

«Это очень простой принцип конструкции также могут быть применены при проектировании искусственных солнечных батарей», — сказал Ван Grondelle, который имеет огромный опыт работы с уборочной фотосинтеза света.

Габор пояснил, что растения и другие фотосинтезирующие организмы имеют самые разнообразные тактики, чтобы предотвратить повреждения из-за чрезмерного солнца, начиная с молекулярных механизмов выделения энергии в физическое движение створки навстречу солнцу. Растения даже разработали эффективную защиту от ультрафиолетового света, так как в солнцезащитный крем.

«В сложном процессе фотосинтеза, очевидно, что защищая организм от негативного воздействия является движущим фактором успешного производства энергии, и это вдохновение, которое мы использовали для разработки нашей модели», — сказал он. «Наша модель включает в себя относительно простые физики, пока это согласуется с обширным набором наблюдений в биологии. Это большая редкость. Если наша модель вмещает до неустанные эксперименты, мы можем найти еще больше согласие между теорией и наблюдениями, дает богатую информацию о внутренней работе природы».

Для построения модели, Габор и его коллеги применили простой физики сетей в особо сложных деталей из биологии, и были в состоянии сделать четкие, количественные, а общие заявления о чрезвычайно разнообразны фотосинтезирующие организмы.

«Наша модель является первой гипотезы объяснение, почему растения зеленые, и мы даем схему для проверки модели с помощью более детальной экспериментов», — сказал Габор.

Фотосинтез можно рассматривать как кухонная раковина, добавил Габор, где кран течет вода в дренаж позволяет воде вытекать. Если поток в раковину гораздо больше, чем отток, то переполнение раковина и вода растекается по всему полу.

«В фотосинтезе, если поток солнечной энергии в свет сети сбор урожая значительно больше, чем вытекать, фотосинтетического сети должны адаптироваться, чтобы уменьшить внезапного чрезмерного потока энергии», — сказал он. «Когда сеть не удается управлять этими колебаниями, организм пытается выгнать лишнюю энергию. При этом организм испытывает окислительный стресс, который повреждает клетки».

Исследователи были удивлены тем, насколько общие и простые их модели.

«Природа всегда будет вас удивлять», — сказал Габор. «То, что кажется таким запутанным и сложным может работать на основе нескольких основных правил. Мы применили модель для организмов в различных фотосинтезирующих ниши и продолжают воспроизводить точные спектры поглощения. В биологии, есть исключения к каждому правилу, настолько, что найти правило, как правило, очень сложно. Удивительно, но мы, кажется, нашли одно из правил фотосинтетической жизни».

Габор отметил, что в течение последних нескольких десятилетий, исследования фотосинтеза была сосредоточена главным образом на структуру и функцию микроскопических компонентов фотосинтетического процесса.

«Биологам хорошо известно, что биологические системы, как правило, не тонко настроенный учитывая тот факт, что организмы имеют мало контроля над их внешним условиям», — сказал он. «Это противоречие до сих пор без внимания, потому что не существует модели, которая связывает микроскопические процессы с макроскопическими свойствами. Наша работа представляет собой первую количественную физическую модель, которая решает это противоречие».

Далее, при поддержке нескольких последних грантах, исследователи будут разрабатывать новый метод микроскопии для проверки своих идей и продвижения технологии Фото-биологических экспериментов с использованием квантовых инструментов оптики.

«Есть много там, чтобы понять, о природе, и это только выглядит более красиво, как мы разгадать ее тайны», — сказал Габор.

сделать разницу: спонсорские возможности