Растения стали зелёными в целях самозащиты

Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) провели теоретический анализ оптимального варианта фотоэлектрической ячейки будущего. В результате они пришли к выводу, что лучше всего она будет справляться с переменным освещением, если будет иметь зелёную окраску. В целом при создании устройств такого рода лучше всего будет опираться на «природные образцы», то есть листья, полагают исследователи. Соответствующая статья опубликована в журнале NanoLetters.

Исследователи проанализировали процесс преобразования энергии солнечного излучения фотоэлектрической ячейкой. Фотоны, попадающие в ячейку, заставляют электрон в молекулах переходить на более высокий энергетический уровень. Когда их энергия превышает определённый порог, электроны покидают молекулу и переносятся дальше. То же происходит и в растениях, с той поправкой, что их энергия способствует проведению реакций фотосинтеза, когда из воды и углекислого газа образуются углеводороды разной сложности.

Моделирование работы искусственной ячейки показало, что если она будет «пользоваться» всеми или хотя бы большей частью фотонов видимого света, в ней начнутся неизбежные сложности. Уровень «шума» в ячейке вырастет, и особенно сильно это проявится в момент смены уровня освещённости. Разные молекулы будут иметь случайное количество электронов, способных эти молекулы покинуть. Эффективность преобразования света при этом понизится: её будет снижать «шум», то есть неупорядоченное протекание фотоэлектрических реакций.

Расчёты показали, что более эффективным механизмом будет выделение двух диапазонов поглощения, разделённых большим промежутком из неиспользуемых фотонов. В случае солнечного света наилучшим выбором оказалось поглощение фотонов синей и красной части спектров. Лежащая между ними зелёная часть спектра — самая «шумная», и «зелёные» фотоны для преобразования света в энергию лучше не использовать. При резкой смене освещённости увеличенный «шум» от зелёного света может нарушить стабильность продуктов фотосинтеза. В случае живых растений он способен привести к возникновению опасных для клеток свободных радикалов в клетках растений.

Интересно, что живые растения давно используют эту стратегию. Зелёный цвет, им присущий, возникает за счёт того, что они очень хорошо отражают фотоны зелёной части спектра. Сильнее всего поглощаются при этом фотоны синей и красной областей видимого спектра. Из этого правила есть исключения: красные водоросли и отдельные тенелюбивые тропические растения, петров крест в средней полосе и так далее. Однако и водоросли в морской воде, и тенелюбивые растения редко сталкиваются с сильным солнечным светом. Соответственно, угроза падения эффективности фотосинтеза из-за зелёной части солнечного спектра для них стоит не так остро, как для большинства растений.

В то же время работа указывает на принципиальное ограничение эффективности будущих систем искусственного фотосинтеза. Основная часть энергии солнечного света лежит именно в зелёной части спектра. То, что её трудно использовать и эффективнее отражать, означает, что большая часть энергии Солнца для фотосинтеза малопригодна не только в природе, но и в будущих промышленных фотоэлектрохимческих ячейках.