Poučení z fotosyntézy

Fotosyntéza je jeden z nejúžasnějších procesů v přírodě. Vzniká při ní naprostá většina organických látek na Zemi. Přeměna energie fotonů ze Slunce na energii chemickou probíhá v chloroplastech zelených rostlin a v buňkách některých skupin bakterií (Vesmír 98, 518, 2019/9). Teprve r. 2020 se podařilo odvodit a experimentálně ověřit základní pravidla, jimiž se řídí činnost světlosběrných komplexů u obou zmíněných skupin organismů. Mají zřejmě obecnou platnost a vysvětlují, proč jsou suchozemské rostliny zelené, tedy proč absorbují málo zeleného světla, ačkoli je ve slunečním spektru energeticky nejbohatší (obr. 1) [1].

Aby byla fotosyntéza stabilní, měla by být při ní absorbována převážně červená a modrá část spektra.

Světlosběrný komplex je složitý soubor pigmentů a proteinů, který zachycuje fotony a odvádí jejich energii do reakčního centra fotosystému. V něm se zářivá energie mění na energii chemickou, jíž je potřeba k fixaci atmosférického uhlíku. Světlosběrné komplexy jsou mimořádně účinné, ale v přírodě většinou panují velmi proměnlivé světelné podmínky. To je jeden ze zdrojů „šumu“ v toku energie. Druhým je strukturní dynamika samotných světlosběrných komplexů. Přesto transformují šum na vstupu zářivé energie do klidného, mohutného a stálého výstupu do reakčního centra fotosystému. Tím jednak chrání fotosyntetický aparát před velmi nebezpečnou fotoinhibicí během vysoké ozářenosti a jednak „posilují“ dodávku energie při ozářenosti nízké.

Vysvětlují to matematické modely světlosběrných komplexů. K snížení šumu je pro ně výhodné mít víc než jeden „vstupní kanál“ (u zelených rostlin jsou to dva různé chlorofyly – chlorofyl a spolu s chlorofylem b). Optimální je podobná vlnová délka absorpčního maxima obou vstupních kanálů, ovšem s různou rychlostí absorpce v tomto maximu. K tomu dochází, jsou-li jejich absorpční maxima umístěna blízko sebe v takové části spektra, kde příkře stoupá nebo klesá intenzita slunečního záření. A to je u chlorofylů v modré a červené oblasti, mezi nimiž leží zelená část spektra. Lze předpokládat, že evoluce u světlosběrných komplexů nepodporovala maximální účinnost, ale stabilitu fungování neboli odstranění šumu. Jemné strukturní detaily různých světlosběrných komplexů jsou důležité, ale pouze v rámci tohoto obecného principu.

Světlosběrné komplexy rostlin by podle některých autorů mohly pomoci lidem nejen jako příklad pro solární technologie. Biologické systémy si „mohou dovolit“ mnoho vnitřních slabostí, neboť interakcí mezi nimi vzniká jejich odolnost. Olivier Hamant v článku Rostliny nám ukazují světlo [2] píše: „Taková suboptimalita může být velmi dobře zdrojem inspirace pro naši budoucí udržitelnost.“ Myslím, že současná koronavirová krize tento názor potvrzuje.