Lorsque la lumière du soleil qui brille sur une feuille change rapidement, les plantes doivent se protéger des poussées soudaines d'énergie solaire qui s'ensuivent. Pour faire face à ces changements, les organismes photosynthétiques, des plantes aux bactéries, ont développé de nombreuses tactiques. Les scientifiques ont été incapables, cependant, pour identifier le principe de conception sous-jacent.

Une équipe internationale de scientifiques, dirigé par le physicien Nathaniel M. Gabor à l'Université de Californie, Bord de rivière, a maintenant construit un modèle qui reproduit une caractéristique générale de la récolte de lumière photosynthétique, observé chez de nombreux organismes photosynthétiques.

La récolte de la lumière est la collecte de l'énergie solaire par des molécules de chlorophylle liées aux protéines. Dans la photosynthèse - le processus par lequel les plantes vertes et certains autres organismes utilisent la lumière du soleil pour synthétiser des aliments à partir de dioxyde de carbone et d'eau - la récolte d'énergie lumineuse commence par l'absorption de la lumière du soleil.

Le modèle des chercheurs emprunte des idées à la science des réseaux complexes, un domaine d'étude qui explore le fonctionnement efficace des réseaux de téléphonie mobile, cerveaux, et le réseau électrique. Le modèle décrit un réseau simple qui est capable d'entrer de la lumière de deux couleurs différentes, pourtant produire un taux constant d'énergie solaire. Ce choix inhabituel de seulement deux entrées a des conséquences remarquables.

"Notre modèle montre qu'en n'absorbant que des couleurs de lumière très spécifiques, les organismes photosynthétiques peuvent se protéger automatiquement contre les changements soudains - ou « bruit » - de l'énergie solaire, résultant en une conversion de puissance remarquablement efficace, " dit Gabor, professeur agrégé de physique et d'astronomie, qui a dirigé l'étude publiée aujourd'hui dans la revue Science . "Les plantes vertes apparaissent vertes et les bactéries violettes apparaissent violettes car seules des régions spécifiques du spectre à partir desquelles elles absorbent sont adaptées à la protection contre l'énergie solaire en évolution rapide."

Gabor a commencé à penser à la recherche sur la photosynthèse il y a plus de dix ans, lorsqu'il était étudiant au doctorat à l'Université Cornell. Il se demandait pourquoi les plantes rejetaient le feu vert, la lumière solaire la plus intense. Au cours des années, il a travaillé avec des physiciens et des biologistes du monde entier pour en savoir plus sur les méthodes statistiques et la biologie quantique de la photosynthèse.

Richard Cogdell, un botaniste de renom à l'Université de Glasgow au Royaume-Uni et co-auteur du document de recherche, a encouragé Gabor à étendre le modèle pour inclure une gamme plus large d'organismes photosynthétiques qui se développent dans des environnements où le spectre solaire incident est très différent.

"Étonnamment, nous avons alors pu montrer que le modèle fonctionnait dans d'autres organismes photosynthétiques en plus des plantes vertes, et que le modèle a identifié une propriété générale et fondamentale de la récolte de lumière photosynthétique, " dit-il. " Notre étude montre comment, en choisissant où vous absorbez l'énergie solaire par rapport au spectre solaire incident, vous pouvez minimiser le bruit sur la sortie, des informations qui peuvent être utilisées pour améliorer les performances des cellules solaires."

Co-auteur Rienk van Grondelle, un physicien expérimental influent à la Vrije Universiteit Amsterdam aux Pays-Bas qui travaille sur les processus physiques primaires de la photosynthèse, a déclaré que l'équipe a découvert que les spectres d'absorption de certains systèmes photosynthétiques sélectionnent certaines régions d'excitation spectrale qui annulent le bruit et maximisent l'énergie stockée.

"Ce principe de conception très simple pourrait également être appliqué dans la conception de cellules solaires fabriquées par l'homme, " dit van Grondelle, qui a une vaste expérience de la récolte de lumière photosynthétique.

Gabor a expliqué que les plantes et autres organismes photosynthétiques ont une grande variété de tactiques pour prévenir les dommages dus à une surexposition au soleil, allant des mécanismes moléculaires de libération d'énergie au mouvement physique de la feuille pour suivre le soleil. Les plantes ont même développé une protection efficace contre les UV, tout comme dans la crème solaire.

« Dans le processus complexe de la photosynthèse, il est clair que la protection de l'organisme contre la surexposition est le facteur déterminant d'une production d'énergie réussie, et c'est l'inspiration que nous avons utilisée pour développer notre modèle, " a-t-il dit. " Notre modèle incorpore une physique relativement simple, pourtant elle est cohérente avec un vaste ensemble d'observations en biologie. C'est remarquablement rare. Si notre modèle résiste aux expérimentations continues, nous pouvons trouver encore plus d'accord entre la théorie et les observations, donnant un aperçu riche du fonctionnement interne de la nature."

Pour construire le modèle, Gabor et ses collègues ont appliqué la physique simple des réseaux aux détails complexes de la biologie, et ont pu préciser, quantitatif, et des déclarations génériques sur des organismes photosynthétiques très divers.

"Notre modèle est la première explication fondée sur des hypothèses pour expliquer pourquoi les plantes sont vertes, et nous donnons une feuille de route pour tester le modèle à travers des expériences plus détaillées, " a déclaré Gabor.

La photosynthèse peut être considérée comme un évier de cuisine, Gabor a ajouté, où un robinet fait entrer l'eau et un drain permet à l'eau de s'écouler. Si le débit dans l'évier est beaucoup plus important que le débit sortant, l'évier déborde et l'eau se répand sur le sol.

« Dans la photosynthèse, si le flux d'énergie solaire entrant dans le réseau de collecte de lumière est nettement plus important que le flux sortant, le réseau photosynthétique doit s'adapter pour réduire les débordements soudains d'énergie, " dit-il. " Lorsque le réseau ne parvient pas à gérer ces fluctuations, l'organisme tente d'expulser l'énergie supplémentaire. Ce faisant, l'organisme subit un stress oxydatif, qui endommage les cellules."

Les chercheurs ont été surpris par la généralité et la simplicité de leur modèle.

"La nature vous surprendra toujours, " a déclaré Gabor. " Quelque chose qui semble si compliqué et complexe pourrait fonctionner sur la base de quelques règles de base. Nous avons appliqué le modèle à des organismes dans différentes niches photosynthétiques et continuons à reproduire des spectres d'absorption précis. En biologie, il y a des exceptions à chaque règle, à tel point que trouver une règle est généralement très difficile. Étonnamment, nous semblons avoir trouvé l'une des règles de la vie photosynthétique."

Gabor a noté qu'au cours des dernières décennies, la recherche sur la photosynthèse s'est principalement concentrée sur la structure et la fonction des composants microscopiques du processus photosynthétique.

"Biologists know well that biological systems are not generally finely tuned given the fact that organisms have little control over their external conditions, " he said. "This contradiction has so far been unaddressed because no model exists that connects microscopic processes with macroscopic properties. Our work represents the first quantitative physical model that tackles this contradiction."

Prochain, supported by several recent grants, the researchers will design a novel microscopy technique to test their ideas and advance the technology of photo-biology experiments using quantum optics tools.

"There's a lot out there to understand about nature, and it only looks more beautiful as we unravel its mysteries, " Gabor said.