Biofizycy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie pod kierunkiem prof. Wiesława Gruszeckiego dokonali właśnie odkrycia, które przybliża zrozumienie procesu fotosyntezy. Wyniki ich badań zostały opublikowane w „Journal of Physical Chemistry Letters”.
Życie na Ziemi zasilane jest niemal wyłącznie przez docierające do nas promieniowanie słoneczne. Fotosynteza to proces, na drodze którego energia światła zamieniana jest na formy, które mogą być wykorzystane bezpośrednio przez żywe organizmy do napędzania reakcji biochemicznych. W procesie tym rośliny wydzielają również do atmosfery tlen cząsteczkowy, który wykorzystujemy do oddychania. Skąd jednak „wiedzą”, kiedy tego światła jest już wystarczająca ilość, jak działa ich wewnętrzny system pomiaru oraz czy na ewentualny nadmiar reagują?
Okazuje się, że regulacja pochłaniania światła odbywa się już na poziomie jednej komórki. Przemieszczające się w niej chloroplasty potrafią optymalizować ilość pozyskiwanych kwantów światła. Jeśli jest silne – chowają się jeden za drugim przy ściankach komórki, a dopiero gdy jest go mało – „wychodzą na łowy”. Zdarza się, że pochłaniana przez rośliny porcja energii przewyższa w danej chwili możliwości operacyjne aparatu fotosyntetycznego. W efekcie takiego przeciążenia dochodzi m.in. do powstania tlenu singletowego – jednej z najbardziej toksycznych i destrukcyjnych molekuł w organizmach żywych, odpowiedzialnej m.in. za poparzenia słoneczne, również u ludzi. Jasne się zatem staje, że aparat fotosyntetyczny roślin, choć zoptymalizowany do pochłaniania jak największej porcji energii słonecznej (liście mają kształt blaszek, chloroplasty wypełniają całe światło komórek roślinnych, występuje dużo białek pełniących rolę anten fotosyntetycznych, w których barwniki pochłaniające światło upakowane są w sposób niezwykle kompaktowy), musi również umieć rozproszyć jej nadmiar. Tę dualną funkcję spełniają w nim kompleksy białek fotosyntetycznych LHCII. Jednym ze sposobów ich adaptacji do konkretnych potrzeb energetycznych rośliny jest tzw. fosforylacja, która polega na przyłączeniu grupy fosforanowej i obdarzeniu białek ujemnym ładunkiem elektrycznym, co powoduje ich reorganizację. Z jednej więc strony, tworzą wysoce zorganizowane struktury, sprzyjające efektywnemu pochłanianiu energii świetlnej, z drugiej – w oparciu o analizę możliwości magazynowania tej energii, zmieniają na tyle swoje własności, że pewną jej część rozpraszają do środowiska w postaci ciepła.
Badania pokazały, że natura poradziła sobie z problemem nadmiernej ekspozycji roślin na światło systemowo. W zależności od tego, jak duża porcja energii jest pochłaniana, pojawiają się ruchy liści, przetasowania chloroplastów, roszady i modyfikacje strukturalne białek czy nawet reorientacja barwników wewnątrz membran lipidowo-białkowych.
– Organizmy, które przetrwały, musiały w toku ewolucji nauczyć się unikania nadmiaru promieniowania słonecznego oraz radzenia sobie z jego skutkami. Dzięki ich zdolnościom do fotosyntezy, możemy energię słońca używać do napędzania naszych organizmów – tłumaczy prof. Wiesław Gruszecki, kierownik Katedry Biofizyki UMCS.
To właśnie jego zespół, we współpracy z naukowcami z Instytutu Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk, odkrył, że ciepło jest niezbędnym ogniwem do efektywnego przebiegu fotosyntezy w roślinach. w roślinach. Jest ona zatem napędzana nie tylko światłem, ale również ciepłem. Badania prowadzone były w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
– Udało nam się pokazać, że część z energii wiązanej w roślinach w czasie fotosyntezy wykorzystywana jest do tego, aby napędzać cały proces i nie ma w tym wypadku mowy o żadnym wybryku natury czy ewolucyjnej pomyłce. To celowe działanie – wyjaśnia prof. Gruszecki.
Prowadzone przez niego badania są niezwykle ważne w aspekcie wyzwań związanych z wyżywieniem dynamicznie rosnącej ludzkiej populacji. Uzyskanie precyzyjnych informacji o mechanizmach, jakie funkcjonują w aparacie fotosyntetycznym, pozwala na wyselekcjonowanie bądź nawet modyfikację genetyczną w celu zyskania takich gatunków roślin, które będą odporne na nadmierne nasłonecznienie, zbyt niski poziom wody czy wysoką temperaturę. Dzięki temu zwiększy się szansa ich przeżycia w takich skrajnych warunkach, a także możliwość wydajniejszego plonowania. Wiedzę tę można by wykorzystać również przy prowadzeniu popularnej w naszych warunkach klimatycznych hodowli szklarniowej, w której na wysokie koszty najbardziej wpływa energia elektryczna. Tymczasem, poprzez odpowiednie sterowanie fotosyntezą, choćby zmieniając źródła światła, można by zwiększyć opłacalność takiego przedsięwzięcia. Wprawdzie wszystkie rośliny przystosowane są do spektrum światła słonecznego, ale wydaje się możliwa modyfikacja widm pochłaniania światła przez barwniki zlokalizowane w aparacie fotosyntetycznym, tak by w podobny sposób reagowały także na sztuczne oświetlenie.
Wyniki badań lubelskich naukowców ukazały się w renomowanym czasopiśmie Journal of Physical Chemistry Letters.
MK
O badaniach prof. Wiesława Gruszeckiego pisaliśmy w tekście Sposób na upał w numerze 4/2017 „Forum Akademickiego”