為什麼植物是綠色的?
2020年07月07日10:52

  光合作用是綠色植物以及其他一些生物(比如一些細菌)通過利用陽光,將二氧化碳和水合成為有機物的過程。然而,過多的太陽能對植物來說會是一種負擔。

  我們可以將光合作用比作是廚房的水槽,有一個將水放入水槽的水龍頭,一個將水排除出去的排水管。如果流入水槽的水量遠大於流出的水量,那麼水槽就會溢出來,灑得到處都是。同樣,當強烈的陽光大量地傾瀉在植物葉片上時,光合作用過程也有可能出現類似的情況。

  為了保護自己免受洶湧的太陽能的影響,光合生物發展出了一系列防止由於過度暴露在太陽下而造成損害的策略——從分子層面的能量釋放機製,到葉片追蹤著陽光進行物理性運動,有的植物甚至發展出了像塗抹防曬霜一樣的能有效抵禦紫外線的措施。

  然而,對於這些策略的基本設計原理,科學家卻一直知之甚少。最近,一個國際科學家團隊構建了一個模型,成功再現了在光合生物中觀測到的光捕獲(指葉綠素分子對太陽能的收集)的特徵,識別出了光合光捕獲的一般基本特性。研究人員將這一發現發表在了近期的《科學》雜誌上。

  物理學家Nathaniel Gabor是這項研究的領導者,他對光合作用的興趣始於十多年前,當時他想知道為什麼植物會排斥綠光——這種太陽光中最強的光。為瞭解答這個謎題,多年來,他與世界各地的物理學家和生物學家一起,從量子生物學的角度研究光合作用。

  在光合作用中,如果流入光捕獲網絡的太陽能遠遠大於流出的太陽能,那麼光合作用網絡就必須進行調試以減少突然出現的能量過剩。當光合作用網絡無法控制這些能量浮動時,有機體自身就會試圖排出這些多餘的能量。在這個過程中,有機體會經曆氧化應激反應,從而使細胞遭受破壞。因此在複雜的光合作用過程中,保護生物體本身不過度暴露在陽光下,是成功生產能量的關鍵因素。

  這也是這一研究的靈感來源。在這個模型中,研究人員借用了複雜網絡的理念,描述了一個相對簡單的網絡。有兩種不同顏色的光可以輸入進這個網絡,並同時輸出功率穩定的太陽能。

  英國著名的植物學家Richard Cogdell是這篇論文的一位重要合著者,他提議應該在模型中納入更多的光合作用生物體,比如一些所處的生長環境的入射太陽光光譜具有很大差異的生物體。

  雖然,這個模型中所包含的物理相對簡單,但產生的結果卻令人驚訝。這個模型所再現的許多細節與在生物學實驗中所觀測到的大量結果都一致。它顯示出,光合生物可以通過選擇吸收特定顏色的光,來保護自身免受太陽能的突然變化帶來的影響,最大限度地抵消噪音,將輸出的噪音降到最低,從而導致能量存儲的最大化,實現非常高效的能量轉化。

  換句話說,綠色植物之所以呈現出綠色,紫色細菌之所以呈現出紫色,就是因為在它們所吸收的光譜中,只選取了特定區域的可用於保護自己、抵禦迅速變化的太陽能的光。

  這一發現可被用來提高太陽能電池性能。而且這一模型具有一個令人欣喜的特點,那就是除了綠色植物外,它還適用於其他光合生物體。研究人員將該模型應用在了不同光合生態位的生物體上,發現它能繼續生成精確的吸收光譜。

  這讓研究人員驚歎於這個簡單模型的普遍適用性。要知道在生物學中,幾乎每一條規律和法則都有其例外之處,以至於尋找一條普遍規律通常是非常困難的,而這個模型卻似乎發現了光合作用生物的一個共有規則。

  在過去的幾十年里,有關光合作用的研究主要集中在參與了光合作用過程的微觀成分的結構和功能上。而在新的研究中,物理學家將簡單的物理網絡應用到了複雜的生物學細節中,對高度多樣化的光合生物體做出了清晰、定量的一般性描述。用Gabor的話來說,這似乎表明了大自然總是會在意想不到的地方給我們驚喜——這些明明看起來如此複雜的事,其實是基於一些基本的規則運作的。

  如果在接下來的研究中,模型能經得住更多實驗的考驗,那麼研究人員將有望在理論和觀測之間找到更多的一致性,從而得出更多對自然界的內部運作規律的新見解。

  接下來,研究人員還將設計一種新的顯微鏡技術以檢驗他們的一些想法,並利用量子光學工具推進光生物學實驗技術。Gabor說:“大自然有很多東西需要我們去理解,當我們揭開更多的神秘面紗時,它才會顯得更加美麗。”

  來源:原理  

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