Ten życiodajny proces od zawsze rozpalał naukowe umysły. Dla fizyków wyzwaniem stała się odpowiedź na pytanie: w jaki sposób rośliny radzą sobie wtedy, gdy – jak w upalne dni – słońca jest w nadmiarze.

– Roślina nie ma ani parasola, ani czapki, do tego przywiązana jest systemem korzeniowym do jednego miejsca, a mimo to potrafi i o świcie, i w południe doskonale sama tak sterować fotosyntezą, aby nie przyjmować kwantów światła powyżej swoich potrzeb, a przede wszystkim możliwości – tłumaczy prof. dr hab. Wiesław Gruszecki, kierownik Zakładu Biofizyki w Instytucie Fizyki UMCS, który wraz z zespołem bada mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów przystosowania fotosyntezy w roślinach do intensywności pochłanianego światła.

Słoneczniki z… antenami

O tym, jak to działa w praktyce, można się przekonać na polu pełnym słoneczników. Ich liście, nawet jeśli jeszcze nie rozwinęły się kwiaty, w ciągu dnia obracają się, wodząc za kierunkiem promieniowania słonecznego, aby zwiększyć powierzchnię, na którą pada strumień kwantów światła. Osiągają tym samym maksymalną wydajność procesu fotosyntezy. Gdy „moce przerobowe” przetwarzania energii słonecznej są już nasycone, wówczas liście niektórych roślin się składają. Skąd jednak „wiedzą”, kiedy tego światła już wystarczy?

– Motorem napędowym nauki są pytania, i to te śmiałe, a czasami nawet ryzykowne, które coś wnoszą do dyskusji. Trzeba zadać mądre pytanie, a wtedy natura z pewnością nam odpowie – opisuje swoją filozofię badawczą prof. Gruszecki.

Pochłanianie i rozpraszanie

Naukowiec wskazuje, 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 dochodzi do powstania m.in. tlenu singletowego, cząsteczki 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, musi również umieć rozproszyć jej nadmiar. Tę dualną funkcję spełniają w nim kompleksy białek fotosyntetycznych LHCII.

Ewolucyjni triumfatorzy

Badania pokazały, że natura poradziła sobie systemowo z problemem nadmiernej ekspozycji roślin na światło. W zależności od tego, jak duża porcja energii jest pochłaniana, pojawiają się ruchy liści, przetasowania chloroplastów czy roszady i modyfikacje strukturalne białek.

– Organizmy, które przetrwały, musiały w toku ewolucji nauczyć się unikania nadmiaru promieniowania słonecznego oraz radzenia z jego skutkami. Dzięki ich zdolności do fotosyntezy możemy energii słońca używać do napędzania naszych organizmów – podsumowuje wyniki badań prof. Gruszecki.

Uzyskanie precyzyjnych informacji o mechanizmach, jakie funkcjonują w aparacie fotosyntetycznym, pozwala na wyselekcjonowanie bądź nawet modyfikację genetyczną w celu uzyskania 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.