Science揭示大自然的美丽之一：植物的绿色“防晒霜”_风闻

不仅我们人类，植物也会想尽办法保护自己的。

当照在叶子上的阳光快速变化时，随之而来的就是突然激增的太阳能，为了让自己不受到伤害，**从植物到细菌的光合生物进化出许多策略。**然而，科学家一直无法确定其潜在机制。

近日，发表在**《Science》**上的一项研究中，由美国加州大学河滨分校的物理学家Nathaniel M. Gabor教授领导的国际科学家团队构建出一个模型，再现了在许多光合生物体中观察到的光合作用“捕光”的特征。

捕光指的是与蛋白质结合的叶绿素分子收集太阳能的过程。**在光合作用中，收集光能量是从吸收阳光开始。**绿色植物和某些其他生物利用太阳能将二氧化碳和水合成食物的过程被称作光合作用。

研究人员的模型借鉴了复杂网络科学的理念，这是一个致力于探索手机、大脑和电网高效运行的领域。该模型描述了一个简单网络，它能输入两种不同颜色的光，同时还可以输出稳定的太阳能功率。这种狭窄输入产生了显著的结果。

该研究第一作者Gabor说：“我们的模型表明，光合作用生物仅吸收非常特定颜色的光，这样就可以自动保护自己免受太阳能突变的影响，从而实现非常有效的能量转换。绿色植物呈现绿色，而紫色细菌则呈现紫色，因为在它们吸收的光谱中，只有特定区域才适合抵御快速变化的太阳能。” 

图片来源：Science

十多年前，当Gabor还是康奈尔大学的博士生时，他第一次开始思考光合作用。他想知道为什么植物会排斥绿光，即最强的太阳光。多年来，他与世界各地的物理学家和生物学家合作，目的就是进一步了解有关光合作用的统计方法和量子生物学理论。

英国格拉斯哥大学的植物学家、该研究共同通讯作者Richard Cogdell鼓励Gabor将模型扩展到更大范围，将生长在入射太阳光谱截然不同的环境中的光合生物包括在内。

他说：“令人兴奋的是，我们随后就证明了这个模型也适用于绿色植物以外的其他光合生物，而且它确定了光合采光的基本特性。我们的研究表明，通过选择与入射太阳光谱相关吸收太阳能的位置，可以最大程度地减小输出中的噪声，这些信息可用来增强太阳能电池的性能。”

该研究合共同通讯作者、荷兰阿姆斯特丹自由大学的著名实验物理学家Rienk van Grondelle致力于研究光合作用的基本物理过程。他说，研究团队发现某些光合作用系统的吸收光谱选择了特定的光谱激发区域，这些区域可以消除噪声并使能量存储最大化。

具有丰富光合捕光研究经验的van Grondelle说：“这个非常简单的设计原则可用于设计人造电池。”

Gabor解释说，植物和其他光合作用生物具有多种策略来防止由于过度暴露于太阳光而造成的损伤，从能量释放的分子机制到叶片以物理运动追踪太阳等不同的方法。就像防晒霜一样，植物甚至已经进化出有效的防紫外线功能。

他说：“显然，在复杂的光合作用过程中，保护生物体免于过度暴露于阳光是成功产生能量的驱动因素，这是我们用来开发模型的灵感。我们的模型结合了相对简单的物理学，但是与生物学研究中的大量观察结果一致。这是非常罕见的。如果继续使用我们的模型进行实验，我们可能会找到更多理论和观察结果之间的共识，从而加深对大自然内在运作原理的见解。”

为了构建这个模型，Gabor和同事们将简单的网络物理学应用于生物学的复杂细节中，并且能够对高度多样化的光合生物做出清晰、定量和通用的阐述。

Gabor说：“我们的模型第一次基于假设来阐释了为什么植物是绿色的，而且我们给出了通过更详细实验测试该模型的路线图。”

Gabor补充说，光合作用可以被认为是厨房的水槽，水从水龙头流入，从排水管流出。如果流入水槽的水量比流出的水量大得多，水槽就会溢出，水会淹没地板。

他说：“在光合作用中，如果进入捕光网络的太阳能流量明显大于流出的，则光合作用网络必须进行调整，以减少突发的能量涌入。当网络无法控制这些波动时，生物体就会试图排出多余的能量。在这样的过程中，生物体会遭受氧化应激，从而损害细胞。”

研究人员对他们的模型如此通用且简单感到惊讶。

Gabor说：“大自然永远会让你感到惊讶。一些看起来如此复杂的事情可能会基于一些基本规则来运作。我们将这个模型应用于不同光合生态位的生物，并继续复制出精确的吸收光谱。在生物学中，每一条规则都有例外，以至于找到一条规则通常是非常困难的。令人惊讶的是，我们似乎已经找到了光合作用生命的一个规则。”

Gabor指出，在过去的几十年中，光合作用研究主要集中在光合作用过程的微观组成部分的结构和功能上。

他说：“生物学家很清楚，鉴于生物体对其外部环境的控制很少，因此生物系统通常不能得到很好的调节。迄今为止，这一矛盾尚未得到解决，因为没有模型将微观过程与宏观特性关联起来。我们的工作提供了解决这一矛盾的首个定量物理模型。”

接下来，在最近几笔资金的支持下，研究人员将设计一种新型显微镜技术，以测试他们的想法，并利用量子光学工具推动光生物学实验技术。

Gabor说：“关于大自然，我们还有很多东西要去理解，而当我们解开它的神秘面纱，它看起来只会更加美丽。”

论文链接：

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