태양이 방출하는 에너지 대부분은 파장에서 말하면 녹색 부분에 해당한다. 식물이 녹색으로 보이는 건 적색과 청색 파장 빛을 거의 흡수하는 반면 녹색 빛은 90% 밖에 흡수하지 않고 나머지를 반사하고 있기 때문에 에너지를 생각하면 모두 흡수하는 게 효율이 좋아지는 건 아니냐고 생각할 수 있다. 하지만 실제로는 식물은 광합성을 최대 효율로 실시하려고 하지 않고 오히려 에너지 입출력을 안정시키기 위해서라도 이쪽이 좋다고 한다.
캘리포니아대학 리버사이드 연구팀은 탄소나노튜브에 의한 태양광 흡수를 연구하고 있어 태양 스펙트럼 피크 에너지를 흡수하는 이상적인 집광 시스템을 생각했을 때 녹색 파장 빛을 가능하면 흡수하면 좋을까 생각하는 동시에 하지만 식물은 그렇게 하고 있지 않다는 걸 깨달았다. 이에 글래스고대학 연구팀과 식물 연구를 시작했다.
광합성은 광포집 복합체라는 단백질 그물 모양 조직에서 이뤄진다. 식물의 경우 클로로필이라는 녹색 색소가 빛을 흡수하고 광합성 반응 중심에 에너지를 전달해 세포가 사용하는 화학 에너지가 생산된다. 이 시스템 변환 효율은 거의 완벽하고 흡수한 빛은 거의 모두 시스템에서 이용 가능한 전자로 변환된다.
문제가 되는 건 광포집 복합체가 세포 내에서 항상 움직이기 때문에 시스템에 노이즈나 비효율성이 초래된다는 점이다. 예를 들어 식물이 그늘에 들어가면 빛 강도가 급격하게 변하기 때문에 소음이 발생한다. 광합성 반응 중심에 도달하는 전자가 적으면 에너지 장애가 발생한다. 한편 너무 많아도 과충전 상태가 되어 조직이 손상을 입는다. 다시 말해 에너지 입출력은 안정되어 있는 게 좋다고 할 수 있다.
연구팀이 다룬 나노튜브 태양전지의 경우 에너지 최대 효율을 목표로 하면 좋기 때문에 녹색 파장을 완전히 흡수하는 시스템에서도 문제가 없었지만 식물에 있어선 노이즈 변동이 커지기 때문에 녹색 파장 빛을 완전히 흡수하는 시스템은 유해해진다는 것이다. 연구팀이 광합성 시스템 모델을 개발하고 연구를 거듭한 결과 최적의 흡수 피크와 세포 색소 활성이 홍색 세균이나 녹색 유황 세균 등에서도 일치하는 것으로 나타났다. 연구팀은 언젠가 이 모델을 지구 외 생명체에도 적용하기를 기대하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.