Ottimizzazione della raccolta della luce fotonica sotto le stelle: modelli di antenne semplici e generali

Nei prossimi 10-20 anni, molti osservatori cercheranno di rilevare tracce di fotosintesi ossigenata sugli esopianeti, anche se gli obiettivi dovranno essere scelti con attenzione. La maggior parte degli esopianeti abitabili conosciuti orbitano attorno a stelle nane di tipo M, che hanno un’emissione limitata nella regione fotosinteticamente attiva dello spettro (PAR, 400).

Tuttavia, recenti esperimenti hanno dimostrato che i cianobatteri, le alghe e le tipiche piante non vascolari crescono comodamente alla luce delle stelle nane medie, sebbene le piante vascolari ne soffrano. Qui, ipotizziamo che ciò sia in parte dovuto ai diversi modi in cui raccolgono la luce, riflettendo alcune regole generali che determinano come le strutture delle antenne ottiche potrebbero evolversi sotto stelle diverse.

Costruiamo un semplice modello termodinamico di un complesso di centri di reazione aria-ossigeno e determiniamo la struttura, le dimensioni e lo spettro di assorbimento ottimale alla luce di diversi tipi di stelle. Per le stelle G (come il Sole) e K più calde, una piccola antenna standard è ottimale ed è qualitativamente simile al supercomplesso PSII-LHCII delle piante superiori.

Per le nane M più fredde è necessaria un’antenna molto grande con un ripido “imbuto energetico”, simile al ficobilisoma di un cianobatterio. Per le nane M più fredde, viene raggiunto un limite superiore, dove l’aumento delle dimensioni dell’antenna subisce ulteriormente una forte diminuzione dei rendimenti della produzione fotovoltaica.

Concludiamo che le stelle G e K possono supportare una serie di nicchie per fotoautotrofi ossigenati, inclusa la vegetazione adattata all’elevata luce che può generare firme biologiche rilevabili. Le stelle nane di tipo M potrebbero essere in grado di supportare solo organismi adattati alla scarsa illuminazione che devono investire risorse significative nel mantenimento di una grande antenna. Ciò potrebbe avere un impatto negativo sulla copertura globale e quindi sulla rilevabilità.

a I flussi spettrali incidenti, 𝑓𝑝(𝜆,;,𝑇𝑠,,,𝑎sp) per l’insieme delle temperature stellari, 𝑇𝑠. Le caselle ombreggiate in verde e rosso indicano le finestre di assorbimento approssimative rispettivamente per la fotosintesi anossica (radiazione fotosinteticamente attiva, PAR) e anossica; I contorni rossi e arancioni rappresentano le stelle nane M mentre il contorno viola rappresenta il Sole. b Schema del fotosistema generalizzato in cui l’RC (rosso) è alimentato con eccitoni da un’antenna composta da più proteine ​​che raccolgono la luce (verde). L’energia si equilibra rapidamente all’interno di una subunità dell’LHC (frecce tratteggiate) e poi passa a un altro composto (frecce continue). Una volta raggiunto il RC, può raggiungere la trappola (blu) dove l’energia viene utilizzata per ossidare una sorgente di elettroni e ridurre il trasportatore di elettroni. Diagramma CA del supercomplesso PSII delle piante situate nel piano della membrana (adattato da PDB: 5XNM (Su et al. 2017)). L’antenna è costituita da diverse subunità LHC legate alla clorofilla (LHCII e varianti secondarie nonché i complessi “antenna primaria”). Viene mostrato RC PSII (etichettato RCII in rosso). D Schema dell’antenna del ficobilisoma associata alla pilina del cianobatterio Synechococcus sp. PCC 7002, visto lungo il piano della membrana (adattato da PDB: 7EXT (Zheng et al. 2021)). Le subunità della ficocianina (PC, blu) sono raggruppate in rami o bastoncini che si irradiano da un nucleo aereo di subunità alloficocianine (APC, giallo). Queste subunità si legano allo stesso complesso RCII presente nelle piante. e. Bande di assorbimento di energia più basse per i pigmenti fotosintetici batterioclorofilla a (rosso), clorofilla a (arancione), alloficocianina (verde) e C-ficocianina (blu). Le linee tratteggiate rappresentano adattamenti gaussiani con larghezze comprese nell’intervallo 𝑤=9−16 nm. Si noti che non adattiamo il bordo blu vibrante a ciascuna macchia, che è molto chiaro per la C-ficocianina. E. Schema del salto energetico tra due subunità del Large Hadron Collider (etichettati 1 e 2). Qui il trasferimento in avanti, 𝑘1→2, è termicamente rilevante perché comporta una riduzione dell’energia di eccitazione. Tuttavia, è termicamente inadatto perché l’eccitazione avrà meno coloranti da campionare nella subunità più piccola 2. Via PubMed

Ottimizzazione della raccolta della luce fotonica sotto le stelle: modelli di antenne semplici e generali
Ris. fotosintesi 2024; 162(1): 75–92. Pubblicato online il 10 settembre 2024. doi: 10.1007/s11120-024-01118-1 tramite PubMed (accesso aperto)

Astrobiologia