為什么植物是綠色的？研究小組的模型再現(xiàn)了光合作用

當(dāng)葉子上的陽(yáng)光快速變化時(shí)，植物必須保護(hù)自己免受太陽(yáng)能突然激增的影響。為了應(yīng)對(duì)這些變化，從植物到細(xì)菌的光合生物已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多策略。然而，科學(xué)家無(wú)法確定基本的設(shè)計(jì)原則。

加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家納撒尼爾M加博爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個(gè)模型，再現(xiàn)了在許多光合生物中觀察到的光合光收集的一般特征。

光收集是通過(guò)結(jié)合蛋白質(zhì)的葉綠素分子來(lái)收集太陽(yáng)能。在光合作用(綠色植物和其他生物利用陽(yáng)光從二氧化碳和水合成食物的過(guò)程)中，光能的收集始于吸收陽(yáng)光。

研究者的模型借鑒了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的思想，致力于探索手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大腦和電網(wǎng)的高效運(yùn)行。這個(gè)模型描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，可以輸入兩種不同顏色的光，但可以輸出穩(wěn)定的太陽(yáng)能。這種只選擇兩種輸入的不尋常做法將會(huì)產(chǎn)生重大后果。

物理學(xué)副教授Gabor說(shuō)：“我們的模型表明，光合生物可以通過(guò)僅吸收非常特定顏色的光，自動(dòng)保護(hù)自己免受太陽(yáng)能(或‘噪音’)突然變化的影響，從而實(shí)現(xiàn)非常有效的能量轉(zhuǎn)換。”這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的《科學(xué)》雜志上?！熬G色植物是綠色的，而紫色細(xì)菌是紫色的，因?yàn)橹挥兴鼈兾盏墓庾V中的某些區(qū)域適合阻止快速變化的太陽(yáng)能。”

十幾年前，加博在康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，就開(kāi)始考慮光合作用的研究。他想知道為什么植物拒絕最強(qiáng)的陽(yáng)光——綠光。多年來(lái)，他與世界各地的物理學(xué)家和生物學(xué)家合作，學(xué)習(xí)更多關(guān)于光合作用和量子生物學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法。

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)著名植物學(xué)家理查德科戴爾也是這篇研究論文的合著者。他鼓勵(lì)加博爾擴(kuò)展該模型，以包括在入射太陽(yáng)光譜非常不同的環(huán)境中生長(zhǎng)的更廣泛的光合生物。

他說(shuō)：“興奮的是，我們后來(lái)可以證明，這個(gè)模型可以用于除綠色植物以外的其他光合生物，而且這個(gè)模型決定了光合光收集的一般和基本特征。”“我們的研究表明，通過(guò)選擇與入射太陽(yáng)光譜相關(guān)的位置來(lái)吸收太陽(yáng)能，可以最大限度地降低輸出噪聲，這些信息可以用來(lái)增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的性能?！?

合著者Rienk van Grondelle是荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)有影響力的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。他從事光合作用的主要物理過(guò)程。他說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一些光合作用系統(tǒng)的吸收光譜選擇了某些光譜激發(fā)區(qū)域，可以消除噪聲，最大化能量。商店。

Van Grondelle說(shuō)：“這種非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原理也可以應(yīng)用于人造太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)?！?

Gabor解釋說(shuō)，植物和其他光合生物有許多策略來(lái)防止過(guò)度暴露在陽(yáng)光下造成的損害，從能量釋放的分子機(jī)制到葉片的物理運(yùn)動(dòng)，再到追蹤太陽(yáng)的方法。就像防曬霜一樣，植物甚至已經(jīng)發(fā)展出有效的紫外線防護(hù)。

他說(shuō)：“顯然，在光合作用的復(fù)雜過(guò)程中，保護(hù)生物體免受過(guò)度暴露是成功產(chǎn)生能量的驅(qū)動(dòng)因素，這是我們開(kāi)發(fā)模型的靈感。”“我們的模型結(jié)合了相對(duì)簡(jiǎn)單的物理學(xué)，但它與生物學(xué)中的大量觀察結(jié)果一致。這是非常罕見(jiàn)的。如果我們的模型堅(jiān)持正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)理論和觀察結(jié)果之間甚至有更多的一致性，這將有助于我們理解自然的內(nèi)在運(yùn)行?！?

為了建立模型，Gabor和他的同事將簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)物理學(xué)應(yīng)用到生物學(xué)的復(fù)雜細(xì)節(jié)中，并能夠?qū)Ω叨榷鄻踊墓夂仙镒龀銮逦⒍亢推毡榈年愂觥?

Gabor說(shuō)：“我們的模型是第一個(gè)由假設(shè)驅(qū)動(dòng)的解釋?zhuān)瑸槭裁粗参锸蔷G色的，我們給出了路線圖，通過(guò)更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?

加博爾補(bǔ)充說(shuō)，光合作用可以被認(rèn)為是一個(gè)廚房水槽，水龍頭流入，排水管允許水流出。如果流入水槽的水量遠(yuǎn)大于流出的水量，水槽就會(huì)溢出，水就會(huì)溢出整個(gè)地板。

他說(shuō)：“在光合作用中，如果進(jìn)入集光網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能流量明顯大于發(fā)光網(wǎng)絡(luò)的流量，光合作用網(wǎng)絡(luò)必須適應(yīng)，以減少突然的能量溢出?！薄爱?dāng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法控制這些波動(dòng)時(shí)，生物體就會(huì)試圖排出多余的能量。這樣做，生物體將遭受氧化應(yīng)激，從而損害細(xì)胞。”

研究人員對(duì)他們的模型如此普遍和簡(jiǎn)單感到驚訝。

葛伯說(shuō)：“大自然總會(huì)給你驚喜?！薄翱雌饋?lái)如此復(fù)雜的事情可能會(huì)根據(jù)一些基本規(guī)則進(jìn)行操作。我們將這個(gè)模型應(yīng)用于具有不同光合生態(tài)位的生物，并繼續(xù)復(fù)制精確的吸收光譜。在生物學(xué)中，每個(gè)規(guī)律都有例外，所以通常很難找到規(guī)律。令人驚訝的是，我們似乎發(fā)現(xiàn)了光合生命的一個(gè)規(guī)律。”

p>Gabor指出，在過(guò)去的幾十年中，光合作用的研究主要集中在光合作用過(guò)程的微觀組成部分的結(jié)構(gòu)和功能上。

他說(shuō)：“生物學(xué)家很清楚，鑒于生物體對(duì)其外部環(huán)境的控制很少，因此生物系統(tǒng)通常不能得到很好的調(diào)節(jié)。”“迄今為止，這一矛盾尚未得到解決，因?yàn)闆](méi)有模型將微觀過(guò)程與宏觀特性聯(lián)系起來(lái)。我們的工作代表了解決這一矛盾的第一個(gè)定量物理模型。”

接下來(lái)，研究人員將在最近的幾筆贈(zèng)款的支持下，設(shè)計(jì)一種新穎的顯微鏡技術(shù)，以測(cè)試他們的想法，并使用量子光學(xué)工具推動(dòng)光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

加博爾說(shuō)：“人們對(duì)自然有很多了解，而且當(dāng)我們解開(kāi)它的奧秘時(shí)，自然只會(huì)更加美麗。”