Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Kosten en kleur van de fotosynthese

Groen is duurzaam, maar waarom is duurzaam niet zwart? Er zijn allerlei smoesjes bedacht om planten te excuseren voor het feit dat zij het beschikbare zonlicht niet maximaal lijken te benutten, maar geen daarvan verklaart waarom ze na twee miljard jaar evolutie nog steeds niet zwart zijn, zoals onze fotovoltaïsche zonnecellen. Zien wij iets over het hoofd?

Ja, zeggen de Leidse biofysici Marosvölgyi en van Gorkom deze week in Photosynthesis Research, Online First (DOI: 10.1007/s11120-009-9522-3).

De productiekosten van het lichtabsorberende apparaat bepalen het meest rendabele absorptiespectrum. Een zwart systeem kan alleen optimaal zijn als het niks kost. Fotosynthetische organismen zijn goeddeels gevuld met de pigment-eiwitcomplexen die zij maken om zonlicht te absorberen. Het deel van de fotosynthese-opbrengst dat zij daarin investeren moet navenant groot zijn.

Absorptiespectrum

Het absorptiespectrum is opgebouwd uit de talloze bijdragen van de electronische overgangsdipooltjes van de individuele pigmenten. Als je de resonantiefrequentie (de kleur) van elk dipooltje kunt afstemmen, bij gelijkblijvende dipoolsterkte en productiekosten, naar de plaats in het spectrum waar het vermogen van het nog niet geabsorbeerde licht het grootst is, ontstaat een systeem dat bij alle frequenties alle vermogen absorbeert boven eenzelfde grenswaarde, die bepaald wordt door de prijs per pigment.

Zonlichtspectrum

Figuur 1 toont het zonlichtspectrum en welk deel ervan niet geabsorbeerd zal worden, voor enkele waarden van de kosten. Als de absorptie gratis is (zwart), wordt alleen licht doorgelaten waarvan de frequentie lager is dan de ‘bandgap’, zoals in fotovoltaïsche zonnecellen. Bij zeer hoge kosten (lichtgrijs) wordt alles doorgelaten behalve een klein deel van het rode licht. Doordat het doorgelaten licht boven de bandgap spectraal constant is, wordt het geabsorbeerde licht juist sterk gemoduleerd door de onregelmatige vorm van het zonnespectrum, veroorzaakt door absorptielijnen in de aardatmosfeer en de buitenste delen van de zon.

Fractie van het licht

Figuur 2 toont welke fractie van het licht wel geabsorbeerd wordt, nu uitgezet tegen de golflengte, door fotosynthesemembranen uit hogere planten in volle zon (spinazie, groen) en uit purperbacteriën onderin een modderpoel (R. sphaeroides, purper), beide in het maximum genormaliseerd op het best passende theoretische spectrum (dikke lijn), wat in beide gevallen bij dezelfde relatieve kosten per pigment blijkt te zijn.

Fotosynthese lijkt dus wel geoptimaliseerd, maar of die zonnecellen echt gratis zijn?