Quando a luz do sol incide sobre uma folha de uma planta, a folha muda rapidamente. As plantas devem proteger-se dos repentinos surtos de energia solar que se seguirem. Para lidar com essas mudanças, os organismos fotossintéticos, de plantas a bactérias, desenvolveram inúmeras táticas.
Uma equipa internacional de cientistas, liderada pelo físico Nathaniel M. Gabor, da Universidade da Califórnia, em Riverside, construiu um modelo que reproduz uma característica geral da recolha de luz, observada em muitos organismos fotossintéticos.
A recolha de energia solar é feita por moléculas de clorofila ligadas a proteínas. Na fotossíntese – o processo pelo qual as plantas verdes e alguns outros organismos usam a luz solar para sintetizar alimentos do dióxido de carbono e da água – a captação de energia da luz começa com a absorção da luz solar.
Modelo usado pelos investigadores
O modelo dos investigadores recolhe ideias da ciência de redes complexas, um campo de estudo que explora operações eficientes em redes de telefones celulares, cérebros e rede elétrica. O modelo descreve uma rede simples que é capaz de inserir luz de duas cores diferentes. Essa escolha incomum de apenas duas entradas tem consequências notáveis.
“O nosso modelo mostra que, absorvendo apenas cores muito específicas da luz, os organismos fotossintéticos podem proteger-se automaticamente contra mudanças repentinas – ou “ruído” – na energia solar, resultando em uma conversão de energia notavelmente eficiente”, referiu Nathaniel M. Gabor. “As plantas verdes parecem bactérias verdes e roxas porque apenas regiões específicas do espectro das quais absorvem são adequadas para proteção contra a mudança rápida da energia solar”.
Nathaniel M. Gabor começou a pensar em investigação de fotossíntese há mais de uma década, quando era aluno de doutoramento na Universidade de Cornell. Ele perguntou a si próprio por que as plantas rejeitavam a luz verde, a luz solar mais intensa. Ao longo dos anos, ele trabalhou com físicos e biólogos em todo o mundo para aprender mais sobre métodos estatísticos e a biologia quântica da fotossíntese.
Richard Cogdell, um renomado botânico da Universidade de Glasgow no Reino Unido e coautor do trabalho de investigação, incentivou Nathaniel Gabor a estender o modelo para incluir uma ampla gama de organismos fotossintéticos que crescem em ambientes onde o espectro solar incidente é muito diferente.
Seleção da gama do espectro solar
“Emocionante, fomos capazes de mostrar que o modelo funcionava em outros organismos fotossintéticos além das plantas verdes, e que o modelo identificava uma propriedade geral e fundamental da recolha fotossintética da luz”, referiu o investigador. “O nosso estudo mostra como, escolhendo onde se absorve a energia solar em relação ao espectro solar incidente, pode minimizar o “ruído” na saída – informações que podem ser usadas para melhorar o desempenho das células solares”.
O coautor do estudo Rienk van Grondelle , um influente físico experimental da Universidade Livre de Amesterdão, na Holanda, que trabalha nos processos físicos primários da fotossíntese, referiu que a equipa descobriu que os espectros de absorção de certos sistemas fotossintéticos selecionam certas regiões de excitação espectral que cancelam o ruído e maximizam a energia.
“Este princípio de design muito simples também pode ser aplicado no design de células solares fabricadas pelo homem”, referiu van Grondelle, que tem uma vasta experiência na captação fotossintética de luz.
Táticas para regular a energia
Nathaniel Gabor explicou que as plantas e outros organismos fotossintéticos têm uma ampla variedade de táticas para evitar danos devido à superexposição ao sol, variando de mecanismos moleculares de liberação de energia ao movimento físico da folha para rastrear o sol. As plantas até desenvolveram proteção eficaz contra a luz UV, assim como um filtro solar.
“No complexo processo de fotossíntese, fica claro que proteger o organismo da superexposição é o fator determinante na produção de energia bem-sucedida, e esta é a inspiração que usamos para desenvolver o nosso modelo”, referiu o investigador. “O nosso modelo incorpora uma física relativamente simples, mas é consistente com um vasto conjunto de observações em biologia. Isso é notavelmente raro. Se o nosso modelo aguentar experimentos contínuos, podemos encontrar ainda mais concordância entre teoria e observações, fornecendo uma rica visão sobre o funcionamento interno da natureza”.
Para construir o modelo, Nathaniel Gabor e seus colegas aplicaram a física direta das redes aos detalhes complexos da biologia e foram capazes de fazer declarações claras, quantitativas e genéricas sobre organismos fotossintéticos altamente diversos.
“O nosso modelo é a primeira explicação baseada em hipóteses sobre por que as plantas são verdes, e damos um roteiro para testar o modelo por meio de experimentos mais detalhados”, disse Nathaniel Gabor.
A fotossíntese pode ser pensada como uma pia de cozinha, acrescentou o investigador, onde uma torneira despeja água e um ralo permite que a água escorra. Se o fluxo para a pia for muito maior que o fluxo externo, a pia transborda e a água cai para o chão.
“Na fotossíntese, se o fluxo de energia solar na rede de captação de luz for significativamente maior que o fluxo de saída, a rede fotossintética deve se adaptar para reduzir o repentino excesso de fluxo de energia”, referiu o investigador. “Quando a rede falha na gestão dessas flutuações, o organismo tenta a expelir a energia extra. Ao fazer isso, o organismo sofre stress oxidativo, que danifica as células”.
Os pesquisadores ficaram surpreendidos com a generalidade e simplicidade do seu modelo.
“A natureza sempre surpreenderá”, referiu Nathaniel Gabor. “Algo que parece tão complicado e complexo pode operar com base em algumas regras básicas. Aplicamos o modelo a organismos em diferentes nichos fotossintéticos e continuamos a reproduzir espectros de absorção precisos. Na biologia, há exceções em todas as regras, tanto que a descoberta uma regra geralmente é muito difícil. Surpreendentemente, parece que encontramos uma das regras da vida fotossintética “.
Nathaniel Gabor observou que, nas últimas décadas, a investigação em fotossíntese concentrou-se principalmente na estrutura e função dos componentes microscópicos do processo fotossintético.
“Os biólogos sabem muito bem que os sistemas biológicos geralmente não são afinados, já que os organismos têm pouco controlo sobre suas condições externas”, afirmou. “Até agora, essa contradição não foi resolvida porque não existe um modelo que conecte processos microscópicos a propriedades macroscópicas. O nosso trabalho representa o primeiro modelo físico quantitativo que lida com essa contradição”.
Em seguida, apoiados por várias doações recentes, os pesquisadores projetarão uma nova técnica de microscopia para testar suas ideias e melhorar a tecnologia de experimentos de fotobiologia usando ferramentas de ótica quântica.
“Há muito por aí para entender sobre a natureza, e ela só parece mais bonita à medida que desvendamos seus mistérios”, concluiu Nathaniel Gabor.
