Perché le piante sono verdi? Devono proteggersi da repentini cambi di luce, ma c’è di più…
Perché le piante sono verdi? Le cose son molto più complesse di quello che si potrebbe immaginare e un modello, che prende in prestito idee dalla scienza delle reti complesse, ne svela alcuni misteri.
La fotosintesi è la reazione fisico-chimica fondamentale per la vita non solo delle piante, ma di ogni organismo sulla nostra Terra.
È forse uno dei primi argomenti di scienza un po’ più complessi che si affronta, dal punto di vista qualitativo, già nelle scuole primarie, eppure ci sono ancora molte cose legate a questo processo che non sono chiare ed è per questo che continua ad essere interessante studiarlo.
La ricerca in questo campo non è solo “guidata dalla curiosità”, ma capire l’incredibile efficienza con cui le piante convertono in zucchero anidride carbonica e acqua potrebbe dare degli spunti per migliorare l’efficienza dei nostri sistemi artificiali che sfruttano l’energia del sole.
Qual è il vantaggio biologico che hanno le piante dall’essere verdi?
La domanda, che può sembrare banale, da cui tutto è partito è: perché le piante sono verdi? In altre parole, se hanno scelto di assorbire la luce dello spettro elettromagnetico in un determinato modo ci deve essere un vantaggio biologico specifico.
Un team di ricerca dall’Università della California Riverside ha creato un modello che riproduce una caratteristica generale della raccolta della luce fotosintetica, osservata in molti organismi fotosintetici.
Il modello prende in prestito idee dalla scienza delle reti complesse, un campo di studio che esplora il funzionamento efficiente nelle reti di telefoni cellulari, cervelli e rete elettrica e descrive una rete semplice che è in grado di prendere come input luce di due soli colori diversi.
Il nostro modello mostra che assorbendo solo colori molto specifici della luce, gli organismi fotosintetici possono automaticamente proteggersi da improvvisi cambiamenti – o “rumore” – nell’energia solare, ottenendo quindi una conversione di potenza notevolmente efficiente.
Ha affermato Gabor, professore associato di fisica e astronomia, che ha guidato lo studio.
Le piante verdi appaiono verdi e i batteri viola appaiono viola perché solo regioni specifiche dello spettro da cui assorbono sono adatte per proteggersi contro i repentini cambiamenti che possono esserci nell’energia solare che li colpisce.
I cambiamenti non sono solo dati dall’alternanza notte/giorno o dal passaggio magari improvviso di una nuvola, ma dovete pensare alle foglie di un albero in una foresta che mosse dal vento possono passare in continuazione dalla luce più abbagliante all’ombra coperte da altra vegetazione.
Le piante devono proteggersi dagli improvvisi picchi di energia solare.
Per far fronte a questi cambiamenti, gli organismi fotosintetici, dalle piante ai batteri, hanno sviluppato numerose tattiche e Gabor, fin da quando era uno studente di dottorato alla Cornell University più di un decennio fa, si chiedeva come mai le piante respingessero la luce verde, ossia la parte dello spettro solare più intensa.
Nel corso degli anni ha lavorato con fisici e biologi di tutto il mondo per saperne di più sui metodi statistici e sulla biologia quantistica della fotosintesi.
Richard Cogdell, un rinomato botanico dell’Università di Glasgow nel Regno Unito e coautore del documento di ricerca, interessato dal lavoro di Gabor lo ha incoraggiato a estendere il modello per includere una gamma più ampia di organismi fotosintetici che crescono in ambienti in cui lo spettro solare incidente è molto diverso.
Sorprendentemente, siamo stati quindi in grado di dimostrare che il modello ha funzionato in altri organismi fotosintetici oltre alle piante verdi e che ha identificato una proprietà generale e fondamentale della raccolta della luce fotosintetica.
ha detto Cogdell che continua:
il nostro studio mostra come, scegliendo dove assorbire l’energia solare in relazione allo spettro incidente, sia possibile ridurre al minimo il rumore in uscita, informazioni che possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni delle celle solari.
In altre parole gli spettri di assorbimento dei sistemi fotosintetici selezionano determinate regioni di eccitazione spettrale che annullano il rumore e massimizzano l’energia immagazzinata.
Questo semplicissimo principio di progettazione potrebbe essere applicato anche nella progettazione di celle solari artificiali.
Gabor ha spiegato che le piante e altri organismi fotosintetici hanno un’ampia varietà di tattiche per prevenire danni dovuti alla sovraesposizione al sole, che vanno dai meccanismi molecolari di rilascio di energia al movimento fisico della foglia per seguire il sole. Le piante hanno persino sviluppato un’efficace protezione contro i raggi UV, proprio come avviene nella creme per la protezione solare.
Gabor ha detto che il loto modello incorpora una fisica relativamente semplice, ma è coerente con una vasta serie di osservazioni in biologia.
Questo è straordinariamente raro. Se il nostro modello regge a continui esperimenti, potremmo trovare ancora più accordo tra teoria e osservazioni, fornendo una visione approfondita dei meccanismi del processo.
Questa rappresenta la prima spiegazione basata su ipotesi verificate quantitativamente del perché le piante sono verdi.
La fotosintesi può essere pensata come un lavello della cucina, ha aggiunto Gabor, in cui un rubinetto fa scorrere l’acqua e uno scarico permette all’acqua di defluire. Se il flusso nel lavandino è molto più grande del flusso verso l’esterno, il lavandino trabocca e l’acqua si riversa su tutto il pavimento.
Spiega ulteriormente Gabor:
nella fotosintesi, se il flusso di energia solare nella rete di raccolta della luce è significativamente più grande del flusso in uscita, la rete fotosintetica deve adattarsi per ridurre l’improvviso trabocco di energia.
Quando la rete non riesce a gestire queste fluttuazioni, l’organismo tenta di espellere l’energia extra. In tal modo, l’organismo subisce stress ossidativo, che danneggia le cellule.
I ricercatori sono rimasti sorpresi da quanto sia generale e semplice il loro modello.
La natura ci sorprende sempre e anche le cose straordinariamente complesse potrebbe alla fine operano sulla base di alcune regole di base.
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