為什么植物是綠色的？研究小組的模型再現(xiàn)了光合作用

當葉子上的陽光快速變化時，植物必須保護自己免受太陽能突然激增的影響。為了應對這些變化，從植物到細菌的光合生物已經(jīng)開發(fā)了許多策略。然而，科學家無法確定基本的設計原則。

加州大學河濱分校的物理學家納撒尼爾M加博爾領導的一個國際科學家團隊現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個模型，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。

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

研究者的模型借鑒了復雜網(wǎng)絡科學的思想，致力于探索手機網(wǎng)絡、大腦和電網(wǎng)的高效運行。這個模型描述了一個簡單的網(wǎng)絡，可以輸入兩種不同顏色的光，但可以輸出穩(wěn)定的太陽能。這種只選擇兩種輸入的不尋常做法將會產(chǎn)生重大后果。

物理學副教授Gabor說：“我們的模型表明，光合生物可以通過僅吸收非常特定顏色的光，自動保護自己免受太陽能(或‘噪音’)突然變化的影響，從而實現(xiàn)非常有效的能量轉換。”這項研究發(fā)表在今天的《科學》雜志上。“綠色植物是綠色的，而紫色細菌是紫色的，因為只有它們吸收的光譜中的某些區(qū)域適合阻止快速變化的太陽能?！?

十幾年前，加博在康奈爾大學攻讀博士學位時，就開始考慮光合作用的研究。他想知道為什么植物拒絕最強的陽光——綠光。多年來，他與世界各地的物理學家和生物學家合作，學習更多關于光合作用和量子生物學的統(tǒng)計方法。

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

他說：“興奮的是，我們后來可以證明，這個模型可以用于除綠色植物以外的其他光合生物，而且這個模型決定了光合光收集的一般和基本特征?！薄拔覀兊难芯勘砻?，通過選擇與入射太陽光譜相關的位置來吸收太陽能，可以最大限度地降低輸出噪聲，這些信息可以用來增強太陽能電池的性能?！?

合著者Rienk van Grondelle是荷蘭阿姆斯特丹自由大學有影響力的實驗物理學家。他從事光合作用的主要物理過程。他說，研究團隊發(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：“這種非常簡單的設計原理也可以應用于人造太陽能電池的設計?！?

Gabor解釋說，植物和其他光合生物有許多策略來防止過度暴露在陽光下造成的損害，從能量釋放的分子機制到葉片的物理運動，再到追蹤太陽的方法。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。

他說：“顯然，在光合作用的復雜過程中，保護生物體免受過度暴露是成功產(chǎn)生能量的驅(qū)動因素，這是我們開發(fā)模型的靈感?！薄拔覀兊哪Ｐ徒Y合了相對簡單的物理學，但它與生物學中的大量觀察結果一致。這是非常罕見的。如果我們的模型堅持正在進行的實驗，我們可能會發(fā)現(xiàn)理論和觀察結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)在運行?！?

為了建立模型，Gabor和他的同事將簡單的網(wǎng)絡物理學應用到生物學的復雜細節(jié)中，并能夠?qū)Ω叨榷鄻踊墓夂仙镒龀銮逦?、定量和普遍的陳述?

Gabor說：“我們的模型是第一個由假設驅(qū)動的解釋，為什么植物是綠色的，我們給出了路線圖，通過更詳細的實驗來檢驗模型?！?

加博爾補充說，光合作用可以被認為是一個廚房水槽，水龍頭流入，排水管允許水流出。如果流入水槽的水量遠大于流出的水量，水槽就會溢出，水就會溢出整個地板。

他說：“在光合作用中，如果進入集光網(wǎng)絡的太陽能流量明顯大于發(fā)光網(wǎng)絡的流量，光合作用網(wǎng)絡必須適應，以減少突然的能量溢出?！薄爱斁W(wǎng)絡無法控制這些波動時，生物體就會試圖排出多余的能量。這樣做，生物體將遭受氧化應激，從而損害細胞?！?

研究人員對他們的模型如此普遍和簡單感到驚訝。

葛伯說：“大自然總會給你驚喜?！薄翱雌饋砣绱藦碗s的事情可能會根據(jù)一些基本規(guī)則進行操作。我們將這個模型應用于具有不同光合生態(tài)位的生物，并繼續(xù)復制精確的吸收光譜。在生物學中，每個規(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)了光合生命的一個規(guī)律?！?

p>Gabor指出，在過去的幾十年中，光合作用的研究主要集中在光合作用過程的微觀組成部分的結構和功能上。

他說：“生物學家很清楚，鑒于生物體對其外部環(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，因為沒有模型將微觀過程與宏觀特性聯(lián)系起來。我們的工作代表了解決這一矛盾的第一個定量物理模型。”

接下來，研究人員將在最近的幾筆贈款的支持下，設計一種新穎的顯微鏡技術，以測試他們的想法，并使用量子光學工具推動光生物學實驗技術的發(fā)展。

加博爾說：“人們對自然有很多了解，而且當我們解開它的奧秘時，自然只會更加美麗。”