Niebieska begonia gra w dżungli w zielone

Dziś chcę się podzielić z Wami nowiutką informacją, która być może wywróci do góry nogami Waszą wiedzę o fotosyntezie. Nie uciekajcie! Będzie też o prądzie, pieniądzach i pawiach. Polityki za to nie będzie.

Otóż jednym z kanonów nauczania o mechanizmach fotosyntezy jest mniej więcej takie  stwierdzenie: „Promieniowanie fotosyntetycznie czynne obejmuje dwa pasma światła, niebieskofioletowe i czerwone”. W ślad za tym idą szczegółowe informacje o maksimach absorpcji światła przez chlorofil a, b i inne barwniki fotosyntetyczne (bo dany  chlorofil absorbuje światło niebieskie i czerwone o innym odcieniu niż inny barwnik z tej grupy pigmentów), itd.

Dla badaczy fotosyntezy i różnych jej aspektów sprawa już nie jest tak prosta, ale zwykle nie zawracamy tym głowy światu i fascynujemy się wzajemnie naszymi wynikami na specjalistycznych konferencjach naukowych. Są bowiem rośliny o nietypowych liściach; zielono-białych czy wielobarwnych. Znaleziono też… niebieskie, wręcz kobaltowe. Nie w polskich lasach –  w malezyjskiej dżungli, gdzie tuż nad ziemią jest znacznie ciemniej niż w naszym łęgu czy borze, bo tam roślinność jest bardzo bujna i znacznie gęstsza. Taki niebieskolistny cud flory nazywa się Begonia pavonina.

Analizując opalizujące niebiesko mieszańce tej rośliny brytyjski zespół biologów roślin i… elektroników odkrył szczególną budowę chloroplastów w skórce ich liści. Chcąc zrozumieć jej znaczenie musimy przypomnieć sobie, w jaki sposób w liściach (i innych organach prowadzących fotosyntezę) upakowane są cząsteczki chlorofilu. Otóż chlorofil bynajmniej nie pływa bezładnie w liściu, bo to byłoby całkowitym marnotrawstwem tego barwnika. Jego cząsteczki wbudowane są w błony mikropęcherzyków zwanych tylakoidami, a tylakoidy położone jeden na drugim tworzą stosy (grana). Dzięki takiej specyficznej architekturze chloroplastu pochłanianie energii świetlnej jest stosunkowo efektywne i umożliwia jej skumulowanie. To zaś pozwala na wprowadzenie w ruch elektronów walencyjnych cząsteczek chlorofilu i innych substancji mu towarzyszących, co w konsekwencji prowadzi do wytworzenia związków chemicznych umożliwiających przerobienie gazowego ditlenku węgla na cukry, z których roślin wytwarza swoją biomasę i potrzebną do jej zbudowania energię. Ale to znamy z każdego podręcznika biologii,  więc co dziwnego stwierdzono w niebieskich liściach? To, że skupiska tylakoidów w ich skórce są  ułożone w szczególnie regularny sposób, co powoduje, że zyskują cechy tzw. kryształów fotonowych (fotonicznych), których przykładem jest diament, a zastosowaniem – światłowód.

W takich kryształach fotony o niektórych długościach fali mogą się rozchodzić. Inne są odbijane, i tak w przypadku B. pavonina dzieje się ze światłem niebieskim, którego w ciemnościach dżungli jest zresztą mało (notabene, to odbijanie niebieskiego powoduje, że  liście malezyjskiej begonii mają niebieską barwę, tak samo jak zielone liście odbijają zieleń). Pochłaniane jest światło czerwone, czyli czyli to, które też jest aktywne fotosyntetycznie, ale również… zielone, uważane zwykle za zbędne dla fotosyntezy, bo chlorofil go nie pochłania. Jednak w otoczeniu zielonych sąsiadów zielonego światła jest pod dostatkiem, dlaczego zatem go nie wykorzystać? Musimy bowiem pamiętać, że zielone kwanty można „przerobić” na czerwone, oczywiście w sensie  energetycznym, bo zieleń ma krótszą falę, czyli większą energię, a czerwień odwrotnie. Wystarczy zatem specyficzny układ optyczny tkanek i komórek, który „nasza” begonia posiada, aby pochłoniętą energię zieleni częściowo odbić, rozproszyć czy przepuścić, i skorzystać z odpowiednio pomniejszonej („strawnej”) dawki energii.

Begonia pavonina prawdopodobnie nie jest jedynym przykładem wykorzystania światła zielonego w fotosyntezie. Mój zespół badał liście pokrzywki brazylijskiej zwanej też koleusem Blumego, który występuje w wielu odmianach o wielobarwnych liściach. Stwierdziliśmy, że w bordowych fragmentach liści znajduje się więcej chlorofilu niż w zielonych. Nadmiar chlorofilu mógłby oznaczać nadmiar pochłoniętej energii, więc takie obszary zawierają też więcej barwników karotenoidowych, chroniących chloroplasty przed promieniowaniem krótkofalowym, podobnie jak nas chronią kosmetyki z filtrem UV. Bordowe obszary liści są natomiast wyposażone w dużą ilość antocyjanów, które pochłaniają zieleń.

Niebieskolistna begonia jest też być może tylko jednym z gatunków tworzących kryształy fotoniczne, o czym piszą sami autorzy, cytując prace  o niebiesko opalizujących mszakach i widłaku Selaginella erythropus. Taka cecha pozwala bowiem na intensyfikację tzw. wydajności kwantowej fotosyntezy o 5-10%. Gdyby taką poprawę uzyskano w ogniwach fotowoltaicznych generujących prąd np. w naszych domach, byłoby to bardzo korzystne energetycznie i finansowo. Kto wie, może opisane tu wspólne prace biologów i elektroników nad niebieską begonią dadzą impuls badaniom przemysłowym? Z braku begonii mogą być pawie pióra i ich koncentryczne nieforemne kręgi, z ciemnoniebieskim w środku – to też kryształy fotonowe. I tylko jeden z przykładów, jak wiele fizyki jest w biologii, i jak różne organizmy wykorzystują prawa fizyczne do różnych celów. Nieświadomie, ale skutecznie.

Jacobs M., Lopez-Garcia M., Phratep O-P.,  Lawson T., Oulton R., Whitney H.M. 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants 2, Article number: 16162 (2016), doi:10.1038/nplants.2016.162

Renata Bączek-Kwinta