了不起的光合作用!保持綠色的同時還能消除幹擾

2021-01-08 澎湃新聞
了不起的光合作用！保持綠色的同時還能消除幹擾

2020-07-03 10:25 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

光合作用複合物發展背後的進化動力不是效率最大化，而是消除幹擾。

近期，一個由物理學和生物學家組成的團隊創建了一個獨特的新模型。該模型表明，成功的光合作用在一定程度上是為了消除幹擾。

他們從一個探討了行動電話網絡和電網的有效運作的科學中，獲得了靈感，構建了一個再現光合作用採光的一般特徵的模型。

這個模型試圖解釋光合作用生物（從植物到細菌）能夠保護自己免受突然激增的太陽能的影響，並充分利用這種能量的基本設計原理。

來自美國加利福尼亞大學的物理學家Nathaniel M Gabor表示：「我們的模型表明，光合作用生物通過吸收非常特殊的光的顏色，可以自動保護自己免受突然變化的太陽能或幹擾的影響，從而實現非常高效的能量轉換。」

他補充道：「綠色植物之所以是綠色，紫色細菌之所以是紫色，是因為它們只有吸收光譜的特定區域，才能適應快速變化的太陽能。」

圖自pexels

該研究由Gabor及其同事Trevor Arp領導，並有來自美國、加拿大、蘇格蘭和荷蘭的科學家參與其中。論文已發表在《科學》雜誌上。

在光合作用過程中，來自太陽的光子被捕獲光能的複合物網絡吸收，作為電子激發態轉移到反應中心，它們在那裡被轉換成植物和其它生物體用於驅動其新陳代謝的化學能量。

研究人員表示，這些網絡十分高效，儘管光線在不斷變化，生理結構有多麼複雜，但每個光子都能轉換成化學上有效的電子。

依賴光合作用的生物的各個階段中，其光採集的形式和功能各不相同，但尚不清楚這種有效的系統下是否隱藏著一套相同的「設計」原則。

為了測試這一點，Gabor和他的同事應用了網絡理論模型，揭示了在三個條件下實現最佳採光所需的最基本要求：陽光充足、樹葉遮蓋和水下。

他們發現，在光波的小範圍內，通過使用兩種色素來吸收不同波長的光，不同環境下的光合作用生物可以減輕太陽能的突然變化帶來的影響，並最大限度地降低採光複合物輸出中能量波動或「噪音」的可能性。

他們的研究結果闡述了採光複合物是如何進化到能獲得最大的能量轉換的，並為解釋觀察到的一些光合生物體中波長依賴的變化提供了基礎。

Gabor表示，根據這一研究，他們能夠對高度多樣化的光合作用生物做出清晰、定量和通用的陳述。

「我們的模型是闡述植物綠色原因的第一個假設驅動解釋，」他說，「我們給出一個路線圖，並通過更詳細的實驗來測試模型。」

他補充說道，如果這個模型「能夠持續下去」，「我們可能會發現理論和觀察之間存在的更多一致，從而對大自然的內部工作有更深刻的領悟。」

倫敦瑪麗女王大學的Christopher Duffy在《科學》雜誌的相關評論中表示，這一發現很重要，因為它「表明光合作用複合物發展背後的進化動力不是效率最大化，而是消除幹擾。」

蝌蚪五線譜編譯自cosmosmagazine，譯者李彤馨，轉載須授權

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