为什么植物是绿色的?
  • 来源:原理
  • 2020-07-07 10:58

  光合作用是绿色植物以及其他一些生物(比如一些细菌)通过利用阳光,将二氧化碳和水合成为有机物的过程。然而,过多的太阳能对植物来说会是一种负担。


  我们可以将光合作用比作是厨房的水槽,有一个将水放入水槽的水龙头,一个将水排除出去的排水管。如果流入水槽的水量远大于流出的水量,那么水槽就会溢出来,洒得到处都是。同样,当强烈的阳光大量地倾泻在植物叶片上时,光合作用过程也有可能出现类似的情况。


  为了保护自己免受汹涌的太阳能的影响,光合生物发展出了一系列防止由于过度暴露在太阳下而造成损害的策略——从分子层面的能量释放机制,到叶片追踪着阳光进行物理性运动,有的植物甚至发展出了像涂抹防晒霜一样的能有效抵御紫外线的措施。


  然而,对于这些策略的基本设计原理,科学家却一直知之甚少。最近,一个国际科学家团队构建了一个模型,成功再现了在光合生物中观测到的光捕获(指叶绿素分子对太阳能的收集)的特征,识别出了光合光捕获的一般基本特性。研究人员将这一发现发表在了近期的《科学》杂志上。


  物理学家Nathaniel Gabor是这项研究的领导者,他对光合作用的兴趣始于十多年前,当时他想知道为什么植物会排斥绿光——这种太阳光中最强的光。为了解答这个谜题,多年来,他与世界各地的物理学家和生物学家一起,从量子生物学的角度研究光合作用。


  在光合作用中,如果流入光捕获网络的太阳能远远大于流出的太阳能,那么光合作用网络就必须进行调试以减少突然出现的能量过剩。当光合作用网络无法控制这些能量浮动时,有机体自身就会试图排出这些多余的能量。在这个过程中,有机体会经历氧化应激反应,从而使细胞遭受破坏。因此在复杂的光合作用过程中,保护生物体本身不过度暴露在阳光下,是成功生产能量的关键因素。


  这也是这一研究的灵感来源。在这个模型中,研究人员借用了复杂网络的理念,描述了一个相对简单的网络。有两种不同颜色的光可以输入进这个网络,并同时输出功率稳定的太阳能。


  英国著名的植物学家Richard Cogdell是这篇论文的一位重要合著者,他提议应该在模型中纳入更多的光合作用生物体,比如一些所处的生长环境的入射太阳光光谱具有很大差异的生物体。


  虽然,这个模型中所包含的物理相对简单,但产生的结果却令人惊讶。这个模型所再现的许多细节与在生物学实验中所观测到的大量结果都一致。它显示出,光合生物可以通过选择吸收特定颜色的光,来保护自身免受太阳能的突然变化带来的影响,最大限度地抵消噪音,将输出的噪音降到最低,从而导致能量存储的最大化,实现非常高效的能量转化。


  换句话说,绿色植物之所以呈现出绿色,紫色细菌之所以呈现出紫色,就是因为在它们所吸收的光谱中,只选取了特定区域的可用于保护自己、抵御迅速变化的太阳能的光。


  这一发现可被用来提高太阳能电池性能。而且这一模型具有一个令人欣喜的特点,那就是除了绿色植物外,它还适用于其他光合生物体。研究人员将该模型应用在了不同光合生态位的生物体上,发现它能继续生成精确的吸收光谱。


  这让研究人员惊叹于这个简单模型的普遍适用性。要知道在生物学中,几乎每一条规律和法则都有其例外之处,以至于寻找一条普遍规律通常是非常困难的,而这个模型却似乎发现了光合作用生物的一个共有规则。


  在过去的几十年里,有关光合作用的研究主要集中在参与了光合作用过程的微观成分的结构和功能上。而在新的研究中,物理学家将简单的物理网络应用到了复杂的生物学细节中,对高度多样化的光合生物体做出了清晰、定量的一般性描述。用Gabor的话来说,这似乎表明了大自然总是会在意想不到的地方给我们惊喜——这些明明看起来如此复杂的事,其实是基于一些基本的规则运作的。


  如果在接下来的研究中,模型能经得住更多实验的考验,那么研究人员将有望在理论和观测之间找到更多的一致性,从而得出更多对自然界的内部运作规律的新见解。


  接下来,研究人员还将设计一种新的显微镜技术以检验他们的一些想法,并利用量子光学工具推进光生物学实验技术。Gabor说:“大自然有很多东西需要我们去理解,当我们揭开更多的神秘面纱时,它才会显得更加美丽。”


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