Tiết lộ cơ chế thực vật có thể sử dụng để tiêu tán ánh nắng mặt trời dư thừa dưới dạng nhiệt

Đối với thực vật, ánh nắng mặt trời là con dao hai lưỡi. Thực vật cần ánh nắng để thúc đẩy quá trình quang hợp, cho phép lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng phân tử đường, nhưng quá nhiều ánh nắng mặt trời có thể làm mất nước và làm hỏng lá cây. Cách chủ yếu thực vật sử dụng để tự bảo vệ khỏi tổn hại do ánh nắng là tiêu tán ánh sáng dư thừa dưới dạng nhiệt. Tuy nhiên, vấn đề này vẫn gây tranh cái trong nhiều thập kỷ qua.

"Trong quá trình quang hợp, các phức hợp thu ánh nắng đóng hai vai trò dường như trái ngược nhau. Chúng hấp thụ năng lượng để thúc đẩy phân tách nước và quang hợp, nhưng đồng thời, khi có quá nhiều năng lượng, chúng cũng phải loại bỏ nó", PGS. Gabriela Schlau-Cohen tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đồng tác giả nghiên cứu nói.

Trong nghiên cứu mới, lần đầu tiên, Schlau-Cohen và các đồng nghiệp tại MIT, Đại học Pavia và Đại học Verona đã quan sát trực tiếp một trong những cơ chế có thể đã được đề xuất về cách thức thực vật tiêu tán năng lượng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng loại máy quang phổ có độ nhạy cao để xác định năng lượng dư thừa được truyền từ chất diệp lục, sắc tố tạo ra màu xanh đến các sắc tố khác gọi là caroten, sau đó, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

"Đây là quan sát trực tiếp đầu tiên về việc truyền năng lượng từ diệp lục đến caroten trong chất phức hợp thu ánh nắng của cây xanh", ông Schlau-Cohen, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Đó là đề xuất đơn giản nhất, nhưng đến nay chưa ai tìm thấy con đường quang học này".

Năng lượng dư thừa

Khi ánh nắng mặt trời chiếu vào cây, các protein chuyên biệt được gọi là phức hợp thu ánh sáng sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng dưới dạng photon với sự trợ giúp của các sắc tố như diệp lục. Các photon này thúc đẩy quá trình sản sinh phân tử đường, dự trữ năng lượng để sử dụng sau này.

Nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thực vật có thể nhanh chóng thích nghi với những thay đổi về cường độ ánh nắng mặt trời. Trong điều kiện nắng to, thực vật chỉ chuyển đổi khoảng 30% ánh nắng mặt trời có sẵn thành đường, phần còn lại được giải phóng dưới dạng nhiệt. Nếu năng lượng dư thừa này được phép ở lại trong tế bào thực vật, nó sẽ tạo ra các phân tử có hại gọi là gốc tự do làm hỏng protein và các phân tử tế bào quan trọng khác.

"Thực vật có thể phản ứng với những thay đổi nhanh chóng về cường độ ánh nắng mặt trời bằng cách loại bỏ năng lượng dư thừa, nhưng con đường quang học đó đã gây tranh cãi trong nhiều thập kỷ qua", ông Schlau-Cohen nói.

Giả thuyết đơn giản nhất về cách thực vật loại bỏ các photon dưa thừa này là khi phức hợp thu ánh sáng hấp thụ chúng, diệp lục sẽ chuyển chúng đến các phân tử gần đó gọi là caroten. Caroten bao gồm lycopene và beta-caroten, rất tốt trong việc loại bỏ năng lượng dư thừa thông qua rung động nhanh. Chúng cũng khéo léo loại bỏ các gốc tự do, giúp ngăn ngừa gây thiệt hại cho các tế bào.

Phương thức truyền năng lượng tương tự đã được quan sát thấy trong các protein của vi khuẩn có liên quan đến chất diệp lục, nhưng cho đến nay, không được quan sát thấy trong thực vật. Lý do rất khó quan sát hiện tượng này là nó xảy ra trong khoảng thời gian cực nhanh cỡ fetô giây. Trở ngại nữa là việc truyền năng lượng kéo dài phạm vi mức năng lượng. Cho đến gần đây, các phương pháp hiện có để quan sát quá trình này chỉ có thể đo được một dải nhỏ của quang phổ ánh sáng khả kiến.

Vào năm 2017, phòng thí nghiệm của Schlau-Cohen đã thay đổi kỹ thuật quang phổ fetô giây cho phép quan sát phạm vi mức năng lượng rộng hơn từ ánh sáng đỏ đến xanh lam. Nghĩa là có thể theo dõi khả năng truyền năng lượng giữa các chất diệp lục, hấp thụ ánh sáng đỏ và caroten, hấp thụ ánh sáng xanh dương và xanh lục.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật này để chỉ ra rằng các photon chuyển từ trạng thái kích thích, được lan truyền trên nhiều phân tử diệp lục bên trong phức hợp thu ánh sáng đến các phân tử caroten gần đó trong phức hợp. Khi các caroten chấp nhận năng lượng dư thừa, chúng giải phóng phần lớn dưới dạng nhiệt, ngăn thiệt hại do ánh sáng gây ra cho các tế bào.

Tăng năng suất cây trồng

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm trong hai môi trường khác nhau. Một môi trường trong đó protein trong dung dịch tẩy rửa và còn lại là các protein được nhúng vào một loại màng tự lắp ráp đặc biệt gọi là đĩa nano. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy việc truyền năng lượng diễn ra nhanh hơn trong đĩa nano, cho thấy các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến tốc độ tiêu tán năng lượng.

Tuy nhiên, vẫn còn bí ẩn liên quan đến cách ánh nắng mặt trời dư thừa gây ra cơ chế này trong các tế bào thực vật. Nhóm tác giả hiện đang nghiên cứu xem liệu tổ chức diệp lục và caroten trong màng lục lạp có giữ vai trò kích hoạt hệ thống bảo vệ quang học hay không. Việc tìm hiểu hệ thống bảo vệ quang học tự nhiên của thực vật sẽ giúp các nhà khoa học đưa ra những phương thức mới tăng sản lượng cây trồng.