Proč jsou rostliny zelené a co se od nich můžeme naučit

Planeta Země je domovem pro miliony rostlin. Každá rostlina je něčím zvláštní, ale mají i něco společného – barvu listů. Zamysleli jste se někdy nad tím, proč jsou rostliny zelené? Jistě odpovíte, že kvůli chlorofylu, ale možná vás udiví, že vědci tuto skutečnost pořád zkoumají. Lidstvo může nové poznatky využít nejen pro navýšení rostlinné produkce, ale třeba i pro zlepšení výkonu solárních článků. Můžeme se od rostlin ještě něco naučit?

Rostliny potřebují výživu stejně jako lidé. Proces, kterým si zelená rostlina vytváří zásobní látky, se nazývá fotosyntéza. (O nových poznatcích ve fotosyntéze jsme psali např. zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/medicina-a-prirodoveda/2524-odhalovani-tajemstvi-fotosyntezy. Samozřejmě existují i rostliny, které se živí jinak, ale ty teď pomineme.) 

Zelené elektrárny 

Rostliny si tvoří zásobní látky, aby mohly růst či přežít například v případě nepříznivých podmínek. Z látek jednodušších vytvářejí složitější. Přeměňují plynný oxid uhličitý a vodu na jednoduché cukry. Jako vedlejší produkt vzniká kyslík. Aby to mohly udělat, absorbují energii ze světla. Rostliny mají k tomuto účelu speciální organely - chloroplasty, které fungují trochu jako rostlinné elektrárny. Chloroplasty obsahují světlosběrný komplex s chlorofylem. Komplex je dokonale přizpůsobený k zachytávání světelného záření. Energie se přenáší do středu komplexu a začíná další fáze procesu – výroba zásobních látek. Chlorofyl dokáže nejlépe využívat světlo v červené a také modré oblasti viditelného světelného spektra. Nevyužité světlo se odráží, a proto se rostliny našemu oku jeví jako zelené. 

Rostlinná alchymie - fotosyntéza

Abychom lépe porozuměli tomu, co se děje v rostlině, když zasvítí slunce, trochu si připomeneme fotosyntézu. Absorbovaná energie fotonů způsobí excitaci elektronů ve světlosběrném komplexu. Excitované elektrony přeskočí na vyšší energetickou hladinu. Proces je rozdělen do dvou fází:

První fáze, tzv. „světelná fáze“, je sledem reakcí, které jsou závislé na světle. Chloroplasty obsahují mnoho disků zvaných tylakoidy, plných chlorofylu. Struktury v tylakoidech známé jako fotosystémy mají ve svém středu „speciální páry“ molekul chlorofylu. Elektrony v těchto molekulách chlorofylu se excitují po absorpci slunečního světla. Úkolem zbytku molekul chlorofylu v chloroplastu je jednoduše předat energii speciálnímu páru. Vedlejším produktem světelné fáze je kyslík.

2 - Druhá sada reakcí - „temnostní fáze“ - je nezávislá na světle, ale o nic míň důležitá. Energie zachycená během první fáze se využije k výrobě cukrů. Reakce probíhají ve výplni chloroplastů nazývané stroma, v níž se koupou tylakoidy. Během těchto reakcí se plynný CO₂ rozpouští ve stromatu a účastní se řady reakcí, které vedou k produkci cukrů. Molekuly cukru pak rostlina používá jako potravu podobným způsobem jako lidé, přičemž přebytečné cukry se ukládají jako škrob a jsou připraveny k pozdějšímu použití, podobně jako se u savců ukládá tuk.

Dostatek energie za všech podmínek 

Světlosběrné komplexy, kde probíhá část fotosyntézy, umožňují rostlině dynamicky zareagovat, i když se sluneční záření během dne mění. Proces přeměny světla na energii má proto skoro neměnnou účinnost.

Budiž světlo, budiž potrava 

Jedním z prvních míst, kde začali experimentovat s podmínkami stimulujícími produkci rostlin, bylo NASA. Podle odhadů očekáváme, že v roce 2050 bude na planetě Zemi 10 miliard obyvatel, a to už je pořádné množství lidí, které bude potřeba nakrmit. Rostliny na planetě Zemi pravděpodobně nebudou schopné takovou poptávku po potravinách pokrýt, proto je nutné produkci uměle zvýšit.

Kontrolované umělé světlo rostlinám svědčí. Zjistilo se, že rostliny potřebují v různých vegetačních obdobích odlišné kombinace barev světla, které na ně svítí. Nicméně, rostlina si dokáže nejlépe poradit převážně se světlem červené a modré barvy. Pokud se ještě zajistí kontrolovaná teplota, vlhkost a světelná intenzita, může se rostlinná produkce několikrát zvýšit. Ale existuje ještě další oblast, kde poznatky z fotosyntézy pomáhají? 

Chytrý model chování rostliny 

Tým z kalifornské univerzity vytvořil model, který napodobuje zachycování energie ze slunečního záření, jaký pozorujeme u mnoha fotosyntetizujících organismů. Vědci si k modelování vypůjčili nejmodernější poznatky z oblastí optoelektroniky, neuronových nebo telekomunikačních sítí.

„Náš model je schopen velmi dobře hodnotit světelné spektrum, které rostliny využívají. Umožnil nám popsat základní princip, jakým organismy využívají světlo,“ uvádí autor studie. „Náš model potvrzuje, že pokud rostlina absorbuje pouze světlo dvou rozdílných barev, chrání se tím před náhlými změnami energie přicházejícími ze slunce. Množství energie vznikající v rostlině je přitom stále stejné. Pokud by rostlina takovou ochranu neměla, přebytečná energie by poškozovala buňky,“ uvádí americký profesor fyziky a astronomie, spoluautor studie. 

Právě zjištěná preference světla na červeném konci spektra stojí za vývojem technologie „rychlého růstu“ Dr. Brande Wulffem a jeho týmem. Technika, kterou NASA poprvé použila k pěstování plodin ve vesmíru, využívá prodloužený den, vylepšené LED osvětlení a řízené teploty k podpoře rychlého růstu plodin. Urychluje šlechtitelský cyklus rostlin: například lze ročně vypěstovat šest generací pšenice ve srovnání se dvěma generacemi při použití tradičních metod.

Zkrácením vegetačních cyklů tato metoda také umožňuje vědcům a šlechtitelům rostlin urychlit genetická vylepšení, která znamenají lepší výnosy, odolnost vůči chorobám a odolnost vůči změně klimatu u řady plodin, jako je pšenice, ječmen, řepka olejka a hrášek.

Co znamená inspirace chlorofylem pro nás? 

Popisovaný princip zachycení světla sběrnými komplexy v rostlině by se dal využít ve zdokonalování fotovoltaických článků. Množství energie vyrobené solárními panely kolísá v závislosti na výkyvech počasí. Pokud by bylo možné vyrobit solárních panely pro sběr světla pouze o dvou rozdílných vlnových délkách, bylo by možné minimalizovat výkyvy dopadajícího přírodního světla. Vznikající energie by byla stále stejná, neměnná. 

Zdroje:

https://www.jic.ac.uk/blog/why-are-plants-green/

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200625144900.htm

https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1490