アマゾンのジャングルの大木から観葉植物、海の海藻まで、緑は植物界を支配する色です。青やマゼンタ、グレーではなく、なぜ緑なのですか？簡単な答えは、植物は光スペクトルの赤と青の領域のほとんどすべての光子を吸収しますが、緑の光子の約 90% しか吸収しないということです。それ以上吸収すると、私たちの目には黒く見えます。植物が緑色であるのは、植物が反射する少量の光が緑色であるためです。
しかし、太陽が放射するエネルギーのほとんどはスペクトルの緑の部分にあるため、それは不十分なほど無駄に思えます.さらに説明を迫られると、生物学者は、植物が無害に使用するには緑色の光が強すぎる可能性があると示唆することがありますが、その理由は明らかではありません.植物の集光機構に関する数十年にわたる分子研究の後でも、科学者は植物の色の詳細な理論的根拠を確立できませんでした。
しかし最近、科学のページで 、科学者は最終的により完全な答えを提供しました。彼らは、植物の光合成機構が緑色の光を浪費する理由を説明するモデルを構築しました。彼らが予想していなかったのは、彼らのモデルが他の光合成生物の色も説明できるということでした。彼らの発見は、宇宙全体に適用される可能性のある集光生物を支配する進化の原則を示しています。それらはまた、進化は生物学的システムを効率的にすることよりも、それらを安定に保つことに関心があるという教訓を提供します.
植物の色の謎は、カリフォルニア大学リバーサイド校の物理学者 Nathaniel Gabor が数年前に博士号を取得しているときに偶然見つけたものです。カーボン ナノチューブによる光吸収に関する彼の研究から外挿して、彼は、太陽スペクトルからのピーク エネルギーを吸収する理想的なソーラー コレクターがどのようなものかを考え始めました。 「この狭いデバイスで、緑色の光に最大限の電力を供給できるようにする必要があります」と彼は言いました。 「そしてすぐに、植物が逆のことをしていることに気付きました。緑色の光を吐き出しているのです。」
2016 年、Gabor と彼の同僚は、エネルギーの流れを制御する光電池の最適な条件をモデル化しました。しかし、なぜ植物が緑色の光を反射するのかを知るために、Gabor と、グラスゴー大学の植物学者である Richard Cogdell を含むチームは、ネットワーク理論の問題として、光合成中に何が起こるかをより詳しく調べました。
光合成の最初のステップは、アンテナを形成する色素が埋め込まれたタンパク質のメッシュである集光複合体で発生します。緑の植物に含まれるクロロフィルという色素は、光を吸収してエネルギーを反応中心に伝達し、そこで細胞が使用するための化学エネルギーの生成が開始されます。光合成のこの量子力学的な第 1 段階の効率は、ほぼ完璧です。吸収された光のほとんどすべてが、システムが使用できる電子に変換されます。
しかし、細胞内のこのアンテナ複合体は常に動いています。 「まるでジェロのようだ」とガボールは言った。 「これらの動きは、顔料を介したエネルギーの流れに影響を与え」、システムにノイズと非効率性をもたらします。植物に当たる光の強さの急激な変動 (たとえば日陰の量の変化など) も、入力にノイズを発生させます。細胞にとっては、電気エネルギーの安定した入力と化学エネルギーの安定した出力が最適です。反応中心に到達する電子が少なすぎると、エネルギー不足を引き起こす可能性がありますが、「エネルギーが多すぎると、フリーラジカルやあらゆる種類の過充電効果が発生します」組織に損傷を与えると、ガボールは言いました。
ガボールと彼のチームは、植物の集光システムのモデルを開発し、それを葉のキャノピーの下で測定された太陽スペクトルに適用しました。彼らの研究により、ナノチューブ太陽電池で機能するものが植物で機能しない理由が明らかになりました。緑色光のピークエネルギーだけを集めることに特化することは非常に効率的かもしれませんが、それは植物にとっては有害です。入力信号からのノイズは、複合体がエネルギーの流れを調整するにはあまりにも激しく変動します.
代わりに、安全で安定したエネルギー出力のために、光化学系の色素を特定の方法で非常に細かく調整する必要がありました.内部ノイズを低減するために、色素は同様の波長の光を吸収する必要がありました。しかし、光強度の変動によって引き起こされる外部ノイズを緩衝するために、さまざまな速度で光を吸収する必要もありました。顔料が吸収するのに最適な光は、太陽光スペクトルの強度曲線の最も急勾配の部分、つまりスペクトルの赤と青の部分でした。
モデルの予測は、クロロフィル a の吸収ピークと一致しました そしてb 、緑の植物が赤と青の光を収穫するために使用します。光合成機構は、効率を最大化するためではなく、最適にスムーズで信頼性の高い出力を得るために進化したようです.
Cogdell 氏は当初、このアプローチが水中に生息し、色素が反射する色にちなんで名付けられた紫バクテリアや緑色硫黄バクテリアなど、他の光合成生物にも有効であると完全に確信していませんでした。このモデルをバクテリアが生息する場所で利用可能な太陽光に適用して、研究者は最適な吸収ピークがどうあるべきかを予測しました。再び、彼らの予測は細胞の色素の活性と一致しました。
「これがいかに基本的なことであるかを理解したとき、鏡を見て考えたことに気づきました。これまでこれについて考えなかったなんて、どうしてそんなにばかだったのでしょうか?」コグデルは言った.
(ブナのように緑色に見えない植物があります。カロテノイドなどの色素が含まれているためです。しかし、これらの色素は光合成を行うものではありません。通常、これらの色素は日焼け止めのように植物を保護し、光への露出の緩やかな変化を緩衝します。)
「信じられないほど単純な物理モデルで生物学のパターンを説明することは、非常に印象的だったと思います」と、ロンドンのクイーン・メアリー大学の生物物理学者であり、Science . 「進化の原動力と思われるのはシステムのロバスト性であるという考えを理解し、促進する、理論的に導かれた研究を見ることができて良かったです。」
研究者は、このモデルを使用して、より優れたソーラー パネルやその他のソーラー デバイスの設計を支援できることを期待しています。マサチューセッツ工科大学の物理化学者である Gabriela Schlau-Cohen 氏は、太陽光発電技術の効率は大幅に向上しましたが、「堅牢性とスケーラビリティの点では解決された問題ではないと思います。これは植物が解決したことです」と述べています。 .
ガボールはまた、いつかこのモデルを地球以外の生命に適用することを決心しました。 「別の惑星があり、その星がどのようなものかを知っていたら、光合成を行う生命がどのように見えるか推測できますか?」彼は尋ねた。公開されている彼のモデルのコードには、選択したスペクトルで正確にそれを行うオプションがあります。今のところ、演習は純粋に仮説です。 「今後 20 年以内に、その疑問に [答える] ことができる系外惑星に関する十分なデータが得られるでしょう」と Gabor 氏は述べています。
この記事は Wired.com に転載され、スペイン語版は Investigacionyciencia.es に転載されました .
