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)葉子上的陽光快速變化時(shí)，植物必須保護(hù)自己免受太陽能突然激增的影響。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)開發(fā)了許多策略。然而，科學(xué)家無法確定基本的設(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。

光收集是通過結(jié)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(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：“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(dòng)保護(hù)自己免受太陽能(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。“綠色植物是綠色的，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)的陽光——綠光。多年來，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：“興奮的是，我們后來可以證明，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?！薄拔覀兊难芯勘砻?，通過選擇與入射太陽光譜相關(guān)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(qiáng)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(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程。他說，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：“這種非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原理也可以應(yīng)用于人造太陽能電池的設(shè)計(jì)。”

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(jī)制到葉片的物理運(yùn)動(dòng)，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(hù)。

他說：“顯然，在光合作用的復(fù)雜過程中，保護(hù)生物體免受過度暴露是成功產(chǎn)生能量的驅(qū)動(dòng)因素，這是我們開發(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?、定量和普遍的陳述?

Gabor說：“我們的模型是第一個(gè)由假設(shè)驅(qū)動(dòng)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(xì)的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?

加博爾補(bǔ)充說，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：“在光合作用中，如果進(jìn)入集光網(wǎng)絡(luò)的太陽能流量明顯大于發(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。”“當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無法控制這些波動(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：“大自然總會(huì)給你驚喜?！薄翱雌饋砣绱藦?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。”

他說：“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]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(gè)定量物理模型。”

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

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