Science揭示大自然的美麗之一:植物的綠色「防曬霜」

2020-12-05 中國生物技術網

不僅我們人類，植物也會想盡辦法保護自己的。

當照在葉子上的陽光快速變化時，隨之而來的就是突然激增的太陽能，為了讓自己不受到傷害，從植物到細菌的光合生物進化出許多策略。然而，科學家一直無法確定其潛在機制。

近日，發表在《Science》上的一項研究中，由美國加州大學河濱分校的物理學家Nathaniel M. Gabor教授領導的國際科學家團隊構建出一個模型，再現了在許多光合生物體中觀察到的光合作用「捕光」的特徵。

捕光指的是與蛋白質結合的葉綠素分子收集太陽能的過程。在光合作用中，收集光能量是從吸收陽光開始。綠色植物和某些其他生物利用太陽能將二氧化碳和水合成食物的過程被稱作光合作用。

研究人員的模型借鑑了複雜網絡科學的理念，這是一個致力於探索手機、大腦和電網高效運行的領域。該模型描述了一個簡單網絡，它能輸入兩種不同顏色的光，同時還可以輸出穩定的太陽能功率。這種狹窄輸入產生了顯著的結果。

該研究第一作者Gabor說：「我們的模型表明，光合作用生物僅吸收非常特定顏色的光，這樣就可以自動保護自己免受太陽能突變的影響，從而實現非常有效的能量轉換。綠色植物呈現綠色，而紫色細菌則呈現紫色，因為在它們吸收的光譜中，只有特定區域才適合抵禦快速變化的太陽能。」

圖片來源：Science

十多年前，當Gabor還是康奈爾大學的博士生時，他第一次開始思考光合作用。他想知道為什麼植物會排斥綠光，即最強的太陽光。多年來，他與世界各地的物理學家和生物學家合作，目的就是進一步了解有關光合作用的統計方法和量子生物學理論。

英國格拉斯哥大學的植物學家、該研究共同通訊作者Richard Cogdell鼓勵Gabor將模型擴展到更大範圍，將生長在入射太陽光譜截然不同的環境中的光合生物包括在內。

他說：「令人興奮的是，我們隨後就證明了這個模型也適用於綠色植物以外的其他光合生物，而且它確定了光合採光的基本特性。我們的研究表明，通過選擇與入射太陽光譜相關吸收太陽能的位置，可以最大程度地減小輸出中的噪聲，這些信息可用來增強太陽能電池的性能。」

該研究合共同通訊作者、荷蘭阿姆斯特丹自由大學的著名實驗物理學家Rienk van Grondelle致力於研究光合作用的基本物理過程。他說，研究團隊發現某些光合作用系統的吸收光譜選擇了特定的光譜激發區域，這些區域可以消除噪聲並使能量存儲最大化。

具有豐富光合捕光研究經驗的van Grondelle說：「這個非常簡單的設計原則可用於設計人造電池。」

Gabor解釋說，植物和其他光合作用生物具有多種策略來防止由於過度暴露於太陽光而造成的損傷，從能量釋放的分子機制到葉片以物理運動追蹤太陽等不同的方法。就像防曬霜一樣，植物甚至已經進化出有效的防紫外線功能。

他說：「顯然，在複雜的光合作用過程中，保護生物體免於過度暴露於陽光是成功產生能量的驅動因素，這是我們用來開發模型的靈感。我們的模型結合了相對簡單的物理學，但是與生物學研究中的大量觀察結果一致。這是非常罕見的。如果繼續使用我們的模型進行實驗，我們可能會找到更多理論和觀察結果之間的共識，從而加深對大自然內在運作原理的見解。」

為了構建這個模型，Gabor和同事們將簡單的網絡物理學應用於生物學的複雜細節中，並且能夠對高度多樣化的光合生物做出清晰、定量和通用的闡述。

Gabor說：「我們的模型第一次基於假設來闡釋了為什麼植物是綠色的，而且我們給出了通過更詳細實驗測試該模型的路線圖。」

Gabor補充說，光合作用可以被認為是廚房的水槽，水從水龍頭流入，從排水管流出。如果流入水槽的水量比流出的水量大得多，水槽就會溢出，水會淹沒地板。

他說：「在光合作用中，如果進入捕光網絡的太陽能流量明顯大於流出的，則光合作用網絡必須進行調整，以減少突發的能量湧入。當網絡無法控制這些波動時，生物體就會試圖排出多餘的能量。在這樣的過程中，生物體會遭受氧化應激，從而損害細胞。」

研究人員對他們的模型如此通用且簡單感到驚訝。

Gabor說：「大自然永遠會讓你感到驚訝。一些看起來如此複雜的事情可能會基於一些基本規則來運作。我們將這個模型應用於不同光合生態位的生物，並繼續複製出精確的吸收光譜。在生物學中，每一條規則都有例外，以至於找到一條規則通常是非常困難的。令人驚訝的是，我們似乎已經找到了光合作用生命的一個規則。」

Gabor指出，在過去的幾十年中，光合作用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，鑑於生物體對其外部環境的控制很少，因此生物系統通常不能得到很好的調節。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關聯起來。我們的工作提供了解決這一矛盾的首個定量物理模型。」

接下來，在最近幾筆資金的支持下，研究人員將設計一種新型顯微鏡技術，以測試他們的想法，並利用量子光學工具推動光生物學實驗技術。

Gabor說：「關於大自然，我們還有很多東西要去理解，而當我們解開它的神秘面紗，它看起來只會更加美麗。」

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1490

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