As plantas ignoram a parte mais rica em energia da luz solar, porque a estabilidade importa mais que a eficiência, de acordo com um novo modelo de fotossíntese.
De grandes árvores na selva amazônica a plantas domésticas e algas no oceano, o verde é a cor que domina o reino vegetal. Por que verde, e não azul ou magenta ou cinza? A resposta simples é que, embora as plantas absorvam quase todos os fótons nas regiões vermelha e azul do espectro da luz, elas absorvem apenas cerca de 90% dos fótons verdes. Se absorvessem mais, pareceriam negras aos nossos olhos. As plantas são verdes porque a pequena quantidade de luz que refletem é dessa cor.
Mas isso parece insatisfatoriamente inútil, porque a maior parte da energia que o sol irradia está na parte verde do espectro. Quando pressionados a explicar mais, os biólogos às vezes sugerem que a luz verde pode ser muito poderosa para as plantas usarem sem causar danos, mas a razão pela qual não está clara. Mesmo após décadas de pesquisas moleculares sobre as máquinas de captação de luz nas plantas, os cientistas não conseguiram estabelecer uma justificativa detalhada para a cor das plantas.
Recentemente, no entanto, nas páginas da Science, os cientistas finalmente forneceram uma resposta mais completa. Eles construíram um modelo para explicar por que a maquinaria fotossintética das plantas desperdiça luz verde. O que eles não esperavam era que o modelo deles também explicasse as cores de outras formas fotossintéticas da vida. Suas descobertas apontam para um princípio evolutivo que governa os organismos coletores de luz que podem ser aplicados em todo o universo. Eles também oferecem uma lição de que – pelo menos às vezes – a evolução se importa menos em tornar os sistemas biológicos eficientes do que em mantê-los estáveis.
O mistério da cor das plantas é aquele em que Nathaniel Gabor, físico da Universidade da Califórnia em Riverside, esbarrou anos atrás ao concluir seu doutorado. Extrapolando de seu trabalho sobre absorção de luz por nanotubos de carbono, ele começou a pensar em como seria o coletor solar ideal, que absorvia o pico de energia do espectro solar. “Você deve ter esse dispositivo estreito, obtendo o máximo de energia para a luz verde”, disse ele. “E imediatamente me ocorreu que as plantas estão fazendo o oposto: estão cuspindo luz verde”.
Em 2016, Gabor e seus colegas modelaram as melhores condições para uma célula fotoelétrica que regula o fluxo de energia. Mas, para descobrir por que as plantas refletem luz verde, Gabor e uma equipe que incluiu Richard Cogdell, botânico da Universidade de Glasgow, analisaram mais de perto o que acontece durante a fotossíntese como um problema na teoria das redes.
O primeiro passo da fotossíntese ocorre em um complexo de captação de luz, uma malha de proteínas na qual os pigmentos são incorporados, formando uma antena. Os pigmentos – clorofilas, nas plantas verdes – absorvem a luz e transferem a energia para um centro de reação, onde é iniciada a produção de energia química para o uso da célula. A eficiência desse primeiro estágio da fotossíntese da mecânica quântica é quase perfeita – quase toda a luz absorvida é convertida em elétrons que o sistema pode usar.
Mas esse complexo de antenas dentro das células está em constante movimento. “É como gelatina”, disse Gabor. “Esses movimentos afetam como a energia flui através dos pigmentos” e trazem ruído e ineficiência para o sistema. Flutuações rápidas na intensidade da luz que cai nas plantas – a partir de mudanças na quantidade de sombra, por exemplo – também tornam a entrada barulhenta. Para a célula, é melhor uma entrada constante de energia elétrica acoplada a uma saída constante de energia química: poucos elétrons atingindo o centro de reação podem causar uma falha de energia, enquanto “muita energia causará radicais livres e todos os tipos de efeitos de sobrecarga” que danificam os tecidos, disse Gabor.
Gabor e sua equipe desenvolveram um modelo para os sistemas de colheita de luz das plantas e o aplicaram ao espectro solar medido abaixo de um dossel de folhas. O trabalho deles deixou claro por que o que funciona para células solares de nanotubos não funciona para plantas: pode ser altamente eficiente se especializar em coletar apenas o pico de energia em luz verde, mas isso seria prejudicial para as plantas porque, quando a luz do sol piscava, o ruído do sinal de entrada flutuaria de maneira descontrolada para o complexo regular o fluxo de energia.
Em vez disso, para uma produção segura e estável de energia, os pigmentos do fotossistema precisavam ser ajustados de maneira muito precisa. Os pigmentos precisavam absorver a luz em comprimentos de onda semelhantes para reduzir o ruído interno. Mas eles também precisavam absorver a luz em taxas diferentes para evitar o ruído externo causado por oscilações na intensidade da luz. A melhor luz para os pigmentos absorverem, então, estava nas partes mais íngremes da curva de intensidade do espectro solar – as partes vermelha e azul do espectro.
As previsões do modelo correspondiam aos picos de absorção da clorofila aeb, que as plantas verdes usam para obter luz vermelha e azul. Parece que as máquinas de fotossíntese evoluíram não para obter a máxima eficiência, mas para obter uma saída ótima e confiável.
Cogdell não estava totalmente convencido a princípio de que essa abordagem seria válida para outros organismos fotossintéticos, como as bactérias roxas e as bactérias verdes de enxofre que vivem debaixo d’água e são nomeadas pelas cores que seus pigmentos refletem. Aplicando o modelo à luz solar disponível onde essas bactérias vivem, os pesquisadores previram quais deveriam ser os picos de absorção ideais. Mais uma vez, suas previsões correspondiam à atividade dos pigmentos das células.
“Quando percebi o quanto isso era fundamental, me vi olhando no espelho e pensando: como poderia ser tão burro para não pensar nisso antes?” Cogdell disse.
(Existem plantas que não parecem verdes, como a faia de cobre, porque contêm pigmentos como carotenóides. Mas esses pigmentos não são fotossintéticos: normalmente protegem as plantas como protetor solar, protegendo contra mudanças lentas na exposição à luz.)
“Acho extraordinariamente impressionante explicar um padrão em biologia com um modelo físico incrivelmente simples”, disse Christopher Duffy, biofísico da Queen Mary University de Londres, que escreveu um comentário sobre o modelo para a Science. “Foi bom ver um trabalho liderado teoricamente que entende e promove a ideia de que é a robustez do sistema que parece ser a força motriz evolutiva”.
Os pesquisadores esperam que o modelo possa ser usado para auxiliar no projeto de melhores painéis solares e outros dispositivos solares. Embora a eficiência da tecnologia fotovoltaica tenha avançado consideravelmente, “eu diria que não é um problema resolvido em termos de robustez e escalabilidade, algo que as plantas resolveram”, disse Gabriela Schlau-Cohen, química do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. .
Gabor também decidiu um dia aplicar o modelo à vida além da Terra. “Se eu tivesse outro planeta e soubesse como era sua estrela, poderia adivinhar como seria a vida fotossintética?” ele perguntou. No código de seu modelo – disponível publicamente – há uma opção para fazer exatamente isso com qualquer espectro selecionado. Por enquanto, o exercício é puramente hipotético. “Nos próximos 20 anos, provavelmente teremos dados suficientes em um exoplaneta para poder [responder] a essa pergunta”, disse Gabor.
Publicado em 01/08/2020 19h48
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