아마존 정글의 큰 나무에서 식물 식물에 이르기까지 바다의 해초에 이르기까지 녹색은 식물 왕국을 다스리는 색입니다. 파란색이나 마젠타 또는 회색이 아닌 이유는 무엇입니까? 간단한 대답은 식물이 광 스펙트럼의 적색 및 파란색 영역의 거의 모든 광자를 흡수하지만 녹색 광자의 약 90% 만 흡수한다는 것입니다. 그들이 더 많이 흡수한다면, 그들은 우리의 눈에 검은 색으로 보일 것입니다. 그들이 반영하는 소량의 빛이 그 색이기 때문에 식물은 녹색입니다.
그러나 태양이 방출되는 대부분의 에너지가 스펙트럼의 녹색 부분에 있기 때문에 불만족스럽게 낭비되는 것 같습니다. 더 설명하기 위해 압박 할 때, 생물 학자들은 때때로 녹색 빛이 식물이 해를 입히지 않고 사용하기에는 너무 강력 할 수 있다고 제안했지만 그 이유는 명확하지 않은 이유입니다. 식물의 빛 상수 기계에 대한 수십 년간의 분자 연구 후에도 과학자들은 식물의 색에 대한 상세한 이론적 근거를 확립 할 수 없었습니다.
그러나 최근 Science 의 페이지에서 과학자들은 마침내보다 완전한 답변을 제공했습니다. 그들은 식물의 광합성 기계가 녹색 빛을 낭비하는 이유를 설명하는 모델을 만들었습니다. 그들이 기대하지 않은 것은 그들의 모델이 다른 광합성 형태의 삶의 색상을 설명 할 것이라는 것이 었습니다. 그들의 연구 결과는 우주 전체에 적용될 수있는 가벼운 수확 유기체를 지배하는 진화론 적 원칙을 지적한다. 그들은 또한 적어도 때로는 진화가 생물학적 시스템을 안정적으로 유지하는 것보다 생물학적 시스템을 효율적으로 만드는 것에 관심이 없다는 교훈을 제공합니다.
식물의 색의 미스터리는 리버 사이드 캘리포니아 대학교의 물리학자인 나다니엘 가보르 (Nathaniel Gabor)가 몇 년 전 박사 학위를 마치면서 우연히 발견 한 것입니다. 탄소 나노 튜브에 의한 광 흡수에 대한 그의 작업을 추정 한 그는 이상적인 태양 수집기의 모습을 생각하기 시작했다. "이 좁은 장치가 녹색광에 가장 많은 힘을 가져야한다"고 그는 말했다. "그리고 나서 식물이 반대의 일을하고 있다는 것은 즉시 나에게 일어났다. 그들은 녹색 빛을 뱉어 내고있다."
.2016 년 Gabor와 그의 동료들은 에너지 흐름을 조절하는 광전 세포의 최상의 조건을 모델링했습니다. 그러나 글래스고 대학교의 식물학자인 Richard Cogdell이 녹색 빛, Gabor 및 팀을 반영하는 이유를 알기 위해 네트워크 이론의 문제로 광합성에서 발생하는 일을 더 자세히 살펴 보았습니다.
광합성의 첫 번째 단계는 가벼운 수확 복합체에서 발생합니다. 이는 안테나를 형성하는 안료가 포함 된 단백질의 메쉬입니다. 녹색 식물의 엽록소 (클로로필) 안료는 빛을 흡수하고 에너지를 반응 센터로 옮깁니다. 여기서 세포 사용을위한 화학 에너지 생산이 시작됩니다. 이 양자 기계적 광합성의 첫 번째 단계의 효율성은 거의 완벽합니다. 거의 모든 흡수 된 빛이 시스템이 사용할 수있는 전자로 변환됩니다.
그러나 세포 내부 의이 안테나 복합체는 끊임없이 움직이고 있습니다. Gabor는“이것은 젤다와 같다”고 말했다. "이러한 움직임은 에너지가 안료를 통해 흐르는 방식에 영향을 미치고 시스템에 소음과 비 효율성을 가져옵니다. 예를 들어 그늘의 양의 변화에서 식물에 떨어지는 빛의 강도의 빠른 변동도 입력을 시끄럽게 만듭니다. 세포의 경우, 화학 에너지의 꾸준한 출력과 결합 된 전기 에너지의 꾸준한 입력이 가장 좋습니다. 반응 센터에 도달하는 전자는 너무 적은 에너지 고장을 유발할 수 있지만,“너무 많은 에너지는 자유 라디칼과 모든 종류의 과전 충전 효과를 유발할 것”이라고 Gabor는 말했다.
Gabor와 그의 팀은 식물의 빛 상수 시스템을위한 모델을 개발하여 잎의 캐노피 아래 측정 된 태양 스펙트럼에 적용했습니다. 그들의 작업은 나노 튜브 태양 전지에서 작용하는 것이 식물에 효과가없는 이유를 분명히 밝혔습니다. 녹색광에서 피크 에너지를 수집하는 것이 매우 효율적 일 수 있지만, 햇빛이 깜박일 때 입력 신호의 노이즈가 에너지 흐름을 조절하기에는 너무 강하게 변동하기 때문에 식물에 해가 될 수 있습니다.
.대신, 안전하고 꾸준한 에너지 출력을 위해, 광 시스템의 안료는 특정한 방식으로 매우 잘 조정되어야했습니다. 안료는 내부 노이즈를 줄이기 위해 유사한 파장에서 빛을 흡수해야했습니다. 그러나 그들은 또한 광강의 스윙으로 인한 외부 노이즈에 대해 다른 속도로 빛을 흡수해야했습니다. 안료가 흡수되는 가장 좋은 빛은 태양 스펙트럼의 강도 곡선의 가장 가파른 부분에있었습니다. 스펙트럼의 빨간색과 파란색 부분.
이 모델의 예측은 엽록소의 흡수 피크와 일치했습니다. 및 b 어떤 녹색 식물은 빨간색과 푸른 빛을 수확하는 데 사용합니다. 광합성 기계는 최대 효율이 아니라 최적의 부드럽고 신뢰할 수있는 출력을 위해 진화 한 것으로 보입니다.
Cogdell은 처음에는 자주색 박테리아와 수중에 살고있는 녹색 유황 박테리아와 같은 다른 광합성 유기체에 대한이 접근법을 완전히 확신하지 못했습니다. 박테리아가 사는 곳에서 사용 가능한 햇빛에 모델을 적용하면서 연구원들은 최적의 흡수 피크가 무엇인지 예측했습니다. 다시 한 번, 그들의 예측은 세포의 안료의 활동과 일치했습니다.
"이것이 얼마나 근본적인지를 깨달았을 때, 나는 거울을보고 생각하는 것을 발견했습니다. 이전에 이것에 대해 생각하지 않기 위해 어떻게 그렇게 바보가 될 수 있습니까?" Cogdell이 말했다.
(카로티노이드와 같은 안료를 함유하고 있기 때문에 구리 너도밤 나무처럼 녹색으로 보이지 않는 식물이 있습니다. 그러나 그 안료는 광합성이 아닙니다. 일반적으로 선 스크린과 같은 식물을 보호하고 빛의 노출의 느린 변화에 대한 버퍼링.)
.런던 퀸 메리 대학교의 생물 물리학자인 크리스토퍼 더피 (Christopher Duffy)는“과학 Science 의 모델에 대한 해설을 썼던 크리스토퍼 더피 (Christopher Duffy)는“엄청나게 단순한 물리적 모델로 생물학의 패턴을 설명하는 것은 매우 인상적이라고 생각한다. . "이론적으로 주도 된 작업을 보는 것이 좋았습니다. 이는 진화론 적 추진력으로 보이는 시스템의 견고성이라는 생각을 이해하고 장려하는 것이 좋았습니다."
.연구원들은이 모델이 더 나은 태양 전지판 및 기타 태양열 장치의 설계를 돕기 위해 사용될 수 있기를 희망합니다. 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)의 물리적 화학자 인 가브리엘라 슐라우-코헨 (Gabriela Schlau-Cohen)은 태양 광 기술의 효율성이 상당히 발전했지만“나는 그것이 강력성과 확장 성 측면에서 해결 된 문제가 아니라고 말합니다.
Gabor는 또한 언젠가 지구 너머의 삶에 모델을 적용하는 마음을 사로 잡았습니다. "내가 다른 행성을 가지고 있고 그 별이 어떤지 알았다면 광합성 생활이 어떤 모습인지 추측 할 수 있을까?" 그는 물었다. 공개적으로 제공되는 그의 모델 코드에는 선택한 스펙트럼에서 정확하게 수행 할 수있는 옵션이 있습니다. 현재로서는 운동이 순전히 가설 적입니다. Gabor는“향후 20 년 동안 외계인에 대한 충분한 데이터가있을 것입니다.
이 기사는 Wired.com과 Investigacionyciencia.es에서 스페인어로 재 인쇄되었습니다. .
