ノイズの多いアンテナを静かにすると光合成の光捕集スペクトルが再現される

Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra.

• Trevor B Arp
• Jed Kistner-Morris
• Vivek Aji
• Richard J Cogdell
• Rienk van Grondelle
• Nathaniel M Gabor

抄録

光合成は、光捕集量子効率がほぼ一様であるにもかかわらず、動的な光条件やノイズの多い生理環境下での光捕集を可能にする基本的な組織化原理が存在するかどうかは、未だに不明である。ここでは、ノイズの多い生理環境、電力変換効率、光合成生物の吸収スペクトルを関連付けるノイズキャンセリングネットワークモデルを提示する。全日射下の光条件、酸素系光栄養生物でろ過された光、海水中でろ過された光を用いて、効率的な太陽光発電のための最適な吸収特性を導出した。また、光捕集アンテナが励起ノイズを最小化して電力変換効率を最大化するように調整できることを示し、緑植物、紫細菌、緑硫黄細菌で観測された吸収の波長依存性の統一的な理論的基礎を提供した。

Photosynthesis achieves near unity light-harvesting quantum efficiency yet it remains unknown whether there exists a fundamental organizing principle giving rise to robust light harvesting in the presence of dynamic light conditions and noisy physiological environments. Here, we present a noise-canceling network model that relates noisy physiological conditions, power conversion efficiency, and the resulting absorption spectra of photosynthetic organisms. Using light conditions in full solar exposure, light filtered by oxygenic phototrophs, and light filtered under seawater, we derived optimal absorption characteristics for efficient solar power conversion. We show how light-harvesting antennae can be tuned to maximize power conversion efficiency by minimizing excitation noise, thus providing a unified theoretical basis for the observed wavelength dependence of absorption in green plants, purple bacteria, and green sulfur bacteria.

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