植物為什麼是綠色的?葉綠素的演化之謎

2021-01-17 版納君

植物為什麼是不是其他顏色的呢？（綠光吸收具有降噪功能，保護組織安全）


植物為什麼是綠色的呢？而不是黃色、白色、灰色或者紫色，黑色的呢？大自然千奇百怪，花朵顏色眾多，但森林或植物葉片總體而言是綠色的？這是為什麼？簡單而言，是因為植物葉片的葉綠體主要吸收了紅光和藍光，以及大多數的綠光，少量的反射了綠光，所以植物看起來就是綠色的。也就是說，植物事實上吸收了90%的綠光，只是還有一小部分未吸收，否則植物就是黑色的了。植物之所以是綠色的，就是因為約有10%的綠光未被葉片吸收。


光線具有紅、藍、綠等幾個種類，綠光其實是能量很強的可見光之一。那麼，為什麼不像紅光和綠光那樣，植物也把綠光全部吸收掉呢？為什麼要浪費10%的高能量綠光呢？


光合作用到底如何發生，如何演化，機理又是怎麼樣。這是世界上最重要的科學問題之一。各行各業的科學家對此都極為關注。


光合作用是重要的科學問題


美國加州大學物理學Nathaniel Gabor家通過物理的模型來研究這個問題。它通過研究植物進行光合作用的納米管狀結構認為，結構上植物應該吸收那些能量較高的綠光，但事實上植物恰恰相反，它釋放了一些綠光。原來，植物葉片中的葉綠體具有非常高效的轉化能力。當光線攝入葉綠體上，光會被高效地轉化為電子。電子如果太少，則會導致光反應失敗；若是電子太多，則會導致太多的自由基。過多的自由基會損害植物細胞組織。也就是說如果光線強度變化太大，導致光反應形成的「電子流」不穩定的話，會損傷植物葉片組織。自然光線的變化，對於植物葉綠體組織來說是很具有挑戰性的事。從波長短的藍光到波長長的紅光，光線變化會造成電子流過噪，因此減噪（減少波動和不確定性）是葉綠體進化過程中重要步驟。因此，植物演化出兩條不同的路徑來吸收光，並轉化為電子流。一條是相對穩定的提供充足的電子，另外一條是特殊的路徑，緩衝突然變化的電子。


光合作用過程中降低自由基的路徑


由於藍紫光和紅光都集中在相對波長內，而且能量高，因此是較為穩定的光源和能量源。為了保障葉片獲取足夠的能量，葉綠體首先就收了紅光和藍紫光，作為基本保障，降低內噪。所以植物大多就不會呈現出藍色和紅色。綠光由于波長浮動較大，能量也高。植物因此將演化出了另外一條處理辦法，作為緩衝降噪。葉綠色既吸收綠光，也丟掉一些綠光。當外部光線變化的時候，葉綠素就可以根據光線來調整吸收綠光的量，來保證電子流的穩定供應，並同時達到降低自由基的效果，以保障機械（細胞組織）的完好。物理學家的提出的理論模型，完好的解釋了葉綠素吸收可見光的情況（如下圖）。

植物吸收不同光以保障電子流的穩定模型


也就是說，葉綠素在對應不同波長和能量集中程度不同的藍、綠、光的時候，丟掉一些綠光可大大提升整套光合系統的穩定性。爽一時，不如爽一世。不能過了今天沒有明天。從進化生物學的角度看，演化似乎更加重視系統的穩定性，而不是簡單的追求效率。放棄部分綠光，不追求理論上效率的最大化，而是追求達到長久的穩定的光合速率。這或許就是植物為何是綠色的原因。


參考資料: 圖片來自網絡或文獻插圖

Trevor B. Arp et al, doi.org/10.1126/science.aba6630


Why Are Plants Green? To Reduce the Noise in Photosynthesis. 

https://www.quantamagazine.org/why-are-plants-green-to-reduce-the-noise-in-photosynthesis-20200730/


The simplicity of robust light harvesting 

https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1427

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