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Pourquoi les plantes sont-elles vertes? La réponse pourrait fonctionner sur n’importe quelle planète

Des grands arbres de la jungle amazonienne aux plantes d’intérieur en passant par les algues dans l’océan, le vert est la couleur qui règne sur le règne végétal. Pourquoi le vert, et non le bleu, le magenta ou le gris? La réponse simple est que bien que les plantes absorbent presque tous les photons dans les régions rouge et bleue du spectre lumineux, elles n’absorbent qu’environ 90% des photons verts. S’ils absorbaient plus, ils sembleraient noirs à nos yeux. Les plantes sont vertes parce que la petite quantité de lumière qu’elles réfléchissent est de cette couleur.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et dans les sciences physiques et de la vie.

Mais cela semble un gaspillage insatisfaisant car la plupart de l’énergie que le soleil rayonne se trouve dans la partie verte du spectre. Lorsqu’ils sont pressés d’expliquer davantage, les biologistes ont parfois suggéré que le feu vert était peut-être trop puissant pour que les plantes puissent être utilisées sans dommage, mais la raison n’est pas claire. Même après des décennies de recherche moléculaire sur les machines de récolte de lumière dans les plantes, les scientifiques n’ont pas pu établir une justification détaillée de la couleur des plantes.

Récemment, cependant, dans les pages de Science, les scientifiques ont finalement fourni une réponse plus complète. Ils ont construit un modèle pour expliquer pourquoi la machinerie photosynthétique des plantes gaspille le feu vert. Ce à quoi ils ne s’attendaient pas, c’est que leur modèle expliquerait également les couleurs d’autres formes de vie photosynthétiques. Leurs découvertes indiquent un principe évolutif régissant les organismes collecteurs de lumière qui pourraient s’appliquer dans tout l’univers. Ils offrent également une leçon que – du moins parfois – l’évolution se soucie moins de rendre les systèmes biologiques efficaces que de les maintenir stables.

Le mystère de la couleur des plantes est un mystère que Nathaniel Gabor, physicien à l’Université de Californie à Riverside, est tombé il y a des années alors qu’il terminait son doctorat. En extrapolant à partir de ses travaux sur l’absorption de la lumière par les nanotubes de carbone, il a commencé à réfléchir à ce à quoi ressemblerait le capteur solaire idéal, celui qui absorberait l’énergie de pointe du spectre solaire. « Vous devriez avoir cet appareil étroit qui obtient le plus de puissance au feu vert », a-t-il déclaré. « Et puis il m’est immédiatement venu à l’esprit que les plantes font le contraire: elles crachent du feu vert. »

Nathaniel Gabor, physicien à l’Université de Californie à Riverside, et ses collègues ont développé un modèle de collecte de lumière dans les organismes photosynthétiques qui optimise la réduction du «bruit» par rapport à l’efficacité. Gracieuseté de UC Riverside

En 2016, Gabor et ses collègues ont modélisé les meilleures conditions pour une cellule photoélectrique qui régule le flux d’énergie. Mais pour savoir pourquoi les plantes reflètent la lumière verte, Gabor et une équipe qui comprenait Richard Cogdell, botaniste à l’Université de Glasgow, ont examiné de plus près ce qui se passe pendant la photosynthèse comme un problème dans la théorie des réseaux.

La première étape de la photosynthèse se produit dans un complexe de collecte de lumière, un maillage de protéines dans lequel des pigments sont incorporés, formant une antenne. Les pigments – les chlorophylles, dans les plantes vertes – absorbent la lumière et transfèrent l’énergie vers un centre de réaction, où la production d’énergie chimique pour l’utilisation de la cellule est initiée. L’efficacité de cette première étape de la photosynthèse de la mécanique quantique est presque parfaite – presque toute la lumière absorbée est convertie en électrons que le système peut utiliser.

Mais ce complexe d’antennes à l’intérieur des cellules est constamment en mouvement. «C’est comme Jell-O», a déclaré Gabor. «Ces mouvements affectent la façon dont l’énergie circule à travers les pigments» et apportent du bruit et de l’inefficacité dans le système. Les fluctuations rapides de l’intensité de la lumière tombant sur les plantes – dues par exemple à des changements dans la quantité d’ombre – rendent également l’entrée bruyante. Pour la cellule, un apport constant d’énergie électrique couplé à une sortie régulière d’énergie chimique est le meilleur: trop peu d’électrons atteignant le centre de réaction peuvent provoquer une panne d’énergie, tandis que «trop d’énergie provoquera des radicaux libres et toutes sortes d’effets de surcharge» qui endommagent les tissus, a déclaré Gabor.

Gabor et son équipe ont développé un modèle pour les systèmes de récolte de lumière des plantes et l’ont appliqué au spectre solaire mesuré sous un couvert de feuilles. Leur travail a montré clairement pourquoi ce qui fonctionne pour les cellules solaires à nanotubes ne fonctionne pas pour les plantes: il pourrait être très efficace de se spécialiser dans la collecte uniquement de l’énergie de pointe en lumière verte, mais cela serait préjudiciable pour les plantes car, lorsque la lumière du soleil scintillait, le bruit du signal d’entrée fluctuerait trop brutalement pour que le complexe régule le flux d’énergie.

Illustration: Samuel Velasco / Quanta Magazine

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