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Por trás de uma folha azul há uma interface de luz

Em florestas da Malásia, folhas de plantas de Begonia pavonina adaptadas às condições de sombra exibem uma coloração azul iridescente incomum, resultante da atividade de cloroplastos especializados presentes nas células da epiderme, denominados iridoplastos (Figura 1 e 2). Sabe-se que os cloroplastos são organelas encontradas em células vegetais que possuem em seu interior um complexo membranoso formado por pequenas bolsas achatadas e empilhadas que chamamos de tilacoides e são importantes no processo da fotossíntese. Curiosamente, Jacobs et al. (2016) notaram algo estranho no interior dos cloroplastos de plantas de Begonia pavonina. Os autores observaram que os tilacoides pareciam torres minúsculas rígidas e incrivelmente regulares, que tendem a refletir comprimentos de ondas de luz azul, o que dá a coloração azul das folhas aos nossos olhos.



Figura 1. Localização de iridoplastos e cloroplastos na Begonia. Os iridoplastos são encontrados na epiderme adaxial, isto é, na camada de células que formam a superfície superior da folha. Fonte: Jacobs et al., 2016.


Aparentemente, perder essa luz azul não é um problema para a eficiência energética dessa planta, sendo que a luz refletida pode ser aproveitada por outras plantas que crescem acima dela. Em vez disso, os tilacoides dos iridoplastos são muito melhores em absorver a luz nos comprimentos de onda verde-vermelha que é mais abundante no ambiente sombreado.



Figura 2. Imagem uma folha de Begonia (a), imagem microscópica mostrando iridoplastos em uma célula epidérmica sob epi-iluminação em campo claro (b), imagem Cryo-SEM (Técnica em microscopia eletrônica de varredura) de um único iridoplasto, (c) e o espectro típico de refletância medido na incidência normal de um único iridoplasto (d).


Mas acreditem, o mais impressionante é o que o iridoplasto faz com essa luz! Essas estruturas celulares são capazes não apenas de absorver, mas também de modificar a velocidade da luz semelhante a um cristal fotônico. Você já ouviu falar ou conhece os mecanismos por trás de um cristal fotônico?


O que são cristais fotônicos?


Cristais fotônicos são nanoestruturas que possibilitam a manipulação da luz visível e das demais formas de radiação eletromagnéticas, graças à organização de sua estrutura em padrões periódicos. Suas propriedades físicas ópticas únicas os tornam muito atraentes em aplicações de armazenamento de energia em estados quânticos. Sua estrutura física contém grandes conjuntos de átomos naturalmente presos na matriz sólida que evita a decoerência quântica* de sua estrutura devido ao movimento dos átomos. A presença desses átomos permite que fótons de luz sejam absorvidos uniformemente em todo seu espectro de frequência, embora a distribuição espectral no interior do cristal seja armazenada em modos temporais. A reemissão coletiva da luz pode ocorrer em tempo pré-determinado após um período de armazenamento (varia em segundos).


*Decoerência quântica é a perda da coerência ou ordenamento de ângulos de fase entre componentes de um sistema numa sobreposição quântica.


Plantas de Begonia pavonina possuem iridoblastos com arranjos altamente ordenados em formato de torre que atuam como um cristal fotônico denso modificando a velocidade da luz após ser absorvida. Esse efeito é conhecido na física quântica como luz lenta, ou seja, a luz pode se mover com uma velocidade menor quando passa por algum material. A redução na velocidade garante um melhor espalhamento da luz pelo cloroplasto, o que torna mais eficiente a utilização desta luz nos processos fotossintéticos, com aumento de até 10% da eficiência fotossintética em comparação a outras plantas de sombra.


Acha que acabou? Tem mais... além dos iridoplastos os pesquisados ainda observaram que plantas de Begonia pavonina tem uma mistura de cloroplastos normais juntamente com a estranha variedade de cloroplasto do tipo iridoplasto altamente ordenados. A planta usa os seus cloroplastos normais se houver uma incidência maior de luz e quando os níveis de luz ficarem extremamente baixos os iridoplastos entram em maior atividade. Esses achados implicam que o iridoplasto é uma estrutura de cloroplastos altamente modificada, adaptada para aproveitar da melhor forma as condições de pouca luz em ambientes sombreados e provavelmente diversas outras espécies de plantas podem produzir cloroplastos de estruturas semelhantes visto pela variedade de plantas que apresentam cores maravilhosamente diferentes.


É maravilhoso pensar que uma planta evoluiu para manipular fisicamente a luz que recebe de maneiras diferentes em um ambiente tão dinâmico.


Referência

Jacobs, M., Lopez-Garcia, M., Phrathep, O. P., Lawson, T., Oulton, R., & Whitney, H. M. (2016). Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature plants, 2(11), 1-6.

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