Fotosintesis dan Ide Panel Surya Filter

Ketika sinar matahari menyinari daun dengan cepat, tanaman harus melindungi diri dari gelombang energi matahari yang tiba-tiba muncul. Untuk mengatasi perubahan ini, organisme fotosintetik telah mengembangkan banyak taktik. Namun, para ilmuwan tidak dapat mengidentifikasi prinsip desain yang mendasarinya. Seorang fisikawan sekarang telah membangun sebuah model yang mereproduksi fitur umum pemanenan cahaya fotosintesis, yang diamati di banyak organisme fotosintesis.

Sebuah tim ilmuwan internasional, yang dipimpin oleh fisikawan Nathaniel M. Gabor di University of California, Riverside, kini telah membangun sebuah model yang mereproduksi fitur umum pemanenan cahaya fotosintesis, yang diamati di banyak organisme fotosintesis. Pemanenan cahaya adalah pengumpulan energi matahari oleh molekul klorofil yang terikat protein.

Dalam fotosintesis – proses di mana tanaman hijau dan beberapa organisme lain menggunakan sinar matahari untuk mensintesis makanan dari karbon dioksida dan pemanenan energi cahaya-air dimulai dengan penyerapan sinar matahari. Model para peneliti meminjam ide dari ilmu jaringan yang kompleks, bidang studi yang mengeksplorasi operasi yang efisien dalam jaringan ponsel, otak, dan jaringan listrik. Model ini menggambarkan jaringan sederhana yang mampu memasukkan cahaya dengan dua warna berbeda, namun menghasilkan tingkat tenaga surya yang stabil. Pilihan dua input yang tidak biasa ini memiliki konsekuensi luar biasa.

“Model kami menunjukkan bahwa dengan menyerap hanya warna cahaya yang sangat spesifik, organisme fotosintetik dapat secara otomatis melindungi diri terhadap perubahan mendadak – atau ‘kebisingan’ – dalam energi surya, yang menghasilkan konversi daya yang sangat efisien,” kata Gabor, seorang profesor asosiasi fisika dan astronomi, yang memimpin penelitian ini muncul hari ini di jurnal Science.

“Tumbuhan hijau tampak hijau dan bakteri ungu tampak ungu karena hanya daerah spesifik dari spektrum yang mereka serap yang cocok untuk perlindungan terhadap energi matahari yang berubah dengan cepat.”

Gabor pertama mulai berpikir tentang penelitian fotosintesis lebih dari satu dekade yang lalu, ketika ia masih mahasiswa doktoral di Universitas Cornell. Dia bertanya-tanya mengapa tanaman menolak cahaya hijau, cahaya matahari paling kuat. Selama bertahun-tahun, ia bekerja dengan fisikawan dan ahli biologi di seluruh dunia untuk mempelajari lebih lanjut tentang metode statistik dan biologi kuantum fotosintesis.

Richard Cogdell, seorang ahli botani di University of Glasgow di Inggris dan rekan penulis di makalah penelitian, mendorong Gabor untuk memperluas model untuk memasukkan jajaran organisme fotosintesis yang lebih luas yang tumbuh di lingkungan di mana insiden spektrum matahari sangat berbeda. “Yang menarik, kami kemudian dapat menunjukkan bahwa model tersebut bekerja di organisme fotosintesis lain selain tanaman hijau, dan bahwa model tersebut mengidentifikasi sifat umum dan mendasar dari pemanenan cahaya fotosintesis.

Studi kami menunjukkan bagaimana, dengan memilih di mana Anda menyerap energi matahari sehubungan dengan insiden spektrum matahari, Anda dapat meminimalkan kebisingan pada keluaran informasi yang dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja sel surya.” Coauthor Rienk van Grondelle, seorang ahli fisika eksperimental yang berpengaruh di Vrije Universiteit Amsterdam di Belanda yang bekerja pada proses fisik primer fotosintesis, mengatakan tim menemukan spektrum penyerapan dari sistem fotosintesis tertentu memilih daerah eksitasi spektral tertentu yang membatalkan kebisingan dan memaksimalkan energi untuk disimpan.

“Prinsip desain yang sangat sederhana ini juga dapat diterapkan dalam desain sel surya buatan manusia,” kata van Grondelle, yang memiliki pengalaman luas dengan pemanenan cahaya fotosintesis. Gabor menjelaskan bahwa tanaman dan organisme fotosintesis lainnya memiliki berbagai macam taktik untuk mencegah kerusakan akibat paparan sinar matahari yang berlebihan, mulai dari mekanisme molekuler pelepasan energi hingga gerakan fisik daun untuk melacak matahari. Tumbuhan bahkan telah mengembangkan perlindungan efektif terhadap sinar UV, seperti halnya pada tabir surya.

Dalam proses fotosintesis yang kompleks, jelas bahwa melindungi organisme dari paparan berlebih adalah faktor pendorong dalam produksi energi yang sukses, dan ini adalah inspirasi yang kami gunakan untuk mengembangkan model kami, “katanya.” Model kami menggabungkan fisika yang relatif sederhana, namun ini konsisten dengan serangkaian pengamatan dalam biologi. Ini sangat jarang. Jika model kita bertahan pada eksperimen lanjutan, kita mungkin menemukan lebih banyak lagi kesepakatan antara teori dan pengamatan, memberikan wawasan yang kaya tentang kerja batin alam. ” Untuk membangun model, Gabor dan rekan-rekannya menerapkan fisika langsung dari jaringan ke detail biologi yang kompleks, dan mampu membuat pernyataan yang jelas, kuantitatif, dan generik tentang organisme fotosintesis yang sangat beragam.

“Model kami adalah penjelasan yang didorong oleh hipotesis pertama mengapa tanaman berwarna hijau, dan kami memberikan peta jalan untuk menguji model melalui eksperimen yang lebih rinci,” kata Gabor. Fotosintesis dapat dianggap sebagai wastafel dapur, Gabor menambahkan, di mana faucet mengalirkan air dan drainase memungkinkan air mengalir keluar. Jika aliran ke wastafel jauh lebih besar dari aliran keluar, wastafel meluap dan air tumpah ke seluruh lantai. “Dalam fotosintesis, jika aliran tenaga surya ke jaringan pemanenan cahaya secara signifikan lebih besar daripada aliran keluar, jaringan fotosintesis harus beradaptasi untuk mengurangi tiba-tiba energi yang berlebihan,” katanya. “Ketika jaringan gagal mengelola fluktuasi ini, organisme berusaha mengeluarkan energi ekstra. Dengan melakukan hal itu, organisme mengalami stres oksidatif, yang merusak sel.” Para peneliti terkejut dengan betapa umum dan sederhana model mereka. “Alam akan selalu mengejutkanmu,” kata Gabor.

Sesuatu yang tampaknya sangat rumit dan kompleks dapat beroperasi berdasarkan beberapa aturan dasar. Kami menerapkan model tersebut pada organisme di berbagai ceruk fotosintesis dan terus mereproduksi spektrum serapan yang akurat. Dalam biologi, ada pengecualian untuk setiap aturan, begitu banyak sehingga menemukan sebuah aturan biasanya sangat sulit. Anehnya, kami tampaknya telah menemukan salah satu aturan kehidupan fotosintesis. ” Gabor mencatat bahwa selama beberapa dekade terakhir, penelitian fotosintesis telah difokuskan terutama pada struktur dan fungsi komponen mikroskopis dari proses fotosintesis. “Para ahli biologi tahu betul bahwa sistem biologis umumnya tidak disesuaikan dengan baik mengingat fakta bahwa organisme memiliki sedikit kendali atas kondisi eksternal mereka,” katanya. “Kontradiksi ini sejauh ini belum tertangani karena tidak ada model yang menghubungkan proses mikroskopis dengan sifat makroskopik. Pekerjaan kami merupakan model fisik kuantitatif pertama yang menangani kontradiksi ini.”

Selanjutnya, didukung oleh beberapa hibah baru-baru ini, para peneliti akan merancang teknik mikroskopis baru untuk menguji ide-ide mereka dan memajukan teknologi eksperimen foto-biologi menggunakan alat optik kuantum. “Ada banyak hal di luar sana untuk dipahami tentang alam, dan itu hanya terlihat lebih indah ketika kita mengungkap misterinya,” kata Gabor.

Jurnal Refrensi

• Trevor B. Arp et al. Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra. Science, 2020 DOI: 10.1126/science.aba6630