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為什么植物是綠色
Release Time：2020-07-21當(dāng)照在葉子上的陽(yáng)光迅速變化時(shí)，植物必須保護(hù)自己免受隨之而來(lái)的突然的太陽(yáng)能激增。為了應(yīng)對(duì)這些變化，從植物到細(xì)菌的光合生物發(fā)展了許多策略。但是，科學(xué)家無(wú)法確定基本的設(shè)計(jì)原理。
由加州大學(xué)里弗賽德分校的物理學(xué)家納撒尼爾·M·加博爾（Nathaniel M. Gabor）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已構(gòu)建了一個(gè)模型，該模型再現(xiàn)了在許多光合生物中觀察到的光合光收集的一般特征。
集光是通過結(jié)合蛋白質(zhì)的葉綠素分子收集太陽(yáng)能。在光合作用中-綠色植物和其他一些生物利用陽(yáng)光從二氧化碳和水中合成食物的過程-光能的收集始于吸收陽(yáng)光。
生物學(xué)研究人員的模型借鑒了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的思想，該領(lǐng)域致力于探索手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，大腦和電網(wǎng)中的高效運(yùn)行。該模型描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠輸入兩種不同顏色的光，但可以輸出穩(wěn)定的太陽(yáng)能發(fā)電率。僅兩個(gè)輸入的這種不正常選擇會(huì)產(chǎn)生顯著的后果。
“我們的模型表明，通過僅吸收非常特定顏色的光，光合生物可以自動(dòng)保護(hù)自己免受太陽(yáng)能突然變化（或'噪聲'）的影響，從而實(shí)現(xiàn)非常有效的功率轉(zhuǎn)換，” Gabor副教授說道。物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究今天出現(xiàn)在《科學(xué)》雜志上。 “綠色植物呈現(xiàn)綠色，而紫色細(xì)菌則呈現(xiàn)紫色，因?yàn)橹挥兴鼈兾盏墓庾V中的特定區(qū)域才適合防止快速變化的太陽(yáng)能。”
十多年前，Gabor在康奈爾大學(xué)（Cornell University）攻讀博士學(xué)位時(shí)，就開始思考光合作用的研究。他想知道為什么植物會(huì)拒絕綠光，即最強(qiáng)的太陽(yáng)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，以了解有關(guān)光合作用的統(tǒng)計(jì)方法和量子生物學(xué)的更多信息。
英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的植物學(xué)家理查德·科格德爾（Richard Cogdell）也是該研究論文的合著者，他鼓勵(lì)Gabor擴(kuò)展該模型，使其包括在入射太陽(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：“令人興奮的是，我們隨后能夠證明該模型在綠色植物以外的其他光合生物中也起作用，并且該模型確定了光合光收集的一般和基本特性。” “我們的研究表明，通過選擇與入射太陽(yáng)光譜相關(guān)的吸收太陽(yáng)能的位置，可以最大程度地減小輸出噪聲，這些信息可用于增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的性能。”
合著者Rienk van Grondelle是荷蘭阿姆斯特丹阿姆斯特丹自由大學(xué)的有影響力的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他從事光合作用的主要物理過程，他說研究小組發(fā)現(xiàn)某些光合系統(tǒng)的吸收光譜選擇了某些光譜激發(fā)區(qū)域，這些區(qū)域可以消除噪音并使能量最大化。存儲(chǔ)。
凡·格朗代爾（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(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中。”
Gabor解釋說，植物和其他光合作用生物具有多種策略來(lái)防止由于過度暴露于太陽(yáng)而造成的損害，從能量釋放的分子機(jī)制到葉片的物理運(yùn)動(dòng)以追蹤太陽(yáng)的方法不等。就像防曬霜一樣，植物甚至已經(jīng)開發(fā)出有效的防紫外線功能。
他說：“在復(fù)雜的光合作用過程中，很明顯，保護(hù)有機(jī)體免于過度暴露是成功產(chǎn)生能量的驅(qū)動(dòng)因素，這是我們用來(lái)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)，但是與生物學(xué)中的大量觀察結(jié)果一致。這非常罕見。如果我們的模型堅(jiān)持進(jìn)行下去的實(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，從而可以深入了解大自然的內(nèi)在運(yùn)作。”
為了構(gòu)建模型，Gabor和他的同事將簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)物理學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)的復(fù)雜細(xì)節(jié)，并且能夠就高度多樣化的光合生物做出清晰，定量和通用的陳述。
Gabor說：“我們的模型是由假設(shè)驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)解釋，為什么植物是綠色的，我們給出了通過更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型的路線圖。”
Gabor補(bǔ)充說，光合作用可以被認(rèn)為是廚房的水槽，其中水龍頭流入水，排水管允許水流出。如果流入水槽的水量比向外的水量大得多，水槽就會(huì)溢出，水會(huì)溢出整個(gè)水槽。
加伯說：“自然永遠(yuǎn)會(huì)讓你感到驚訝。” “看似復(fù)雜的事情可能會(huì)基于一些基本規(guī)則進(jìn)行操作。我們將該模型應(yīng)用于不同光合生態(tài)位的生物，并繼續(xù)復(fù)制出準(zhǔn)確的吸收光譜。在生物學(xué)中，每條規(guī)則都有例外，因此發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)則通常非常困難。令人驚訝的是，我們似乎已經(jīng)找到了光合作用生命的規(guī)則之一。”
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(jié)構(gòu)和功能上。
他說：“生物學(xué)家很清楚，鑒于生物幾乎無(wú)法控制其外部條件，因此通常無(wú)法對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。” “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(lái)。我們的工作代表了第一個(gè)解決這一矛盾的定量物理模型。”
接下來(lái)，研究人員將在最近的幾筆贈(zèng)款支持下，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)工具推進(jìn)光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
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)，它看起來(lái)只會(huì)更加美麗。”
