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为什么植物是绿色的?研究小组的模型再现了光合作用

导读当叶子上的阳光快速变化时,植物必须保护自己免受太阳能突然激增的影响。为了应对这些变化,从植物到细菌的光合生物已经开发了许多策略。然

当叶子上的阳光快速变化时,植物必须保护自己免受太阳能突然激增的影响。为了应对这些变化,从植物到细菌的光合生物已经开发了许多策略。然而,科学家无法确定基本的设计原则。

加州大学河滨分校的物理学家纳撒尼尔M加博尔领导的一个国际科学家团队现在已经建立了一个模型,再现了在许多光合生物中观察到的光合光收集的一般特征。

光收集是通过结合蛋白质的叶绿素分子来收集太阳能。在光合作用(绿色植物和其他生物利用阳光从二氧化碳和水合成食物的过程)中,光能的收集始于吸收阳光。

研究者的模型借鉴了复杂网络科学的思想,致力于探索手机网络、大脑和电网的高效运行。这个模型描述了一个简单的网络,可以输入两种不同颜色的光,但可以输出稳定的太阳能。这种只选择两种输入的不寻常做法将会产生重大后果。

物理学副教授Gabor说:“我们的模型表明,光合生物可以通过仅吸收非常特定颜色的光,自动保护自己免受太阳能(或‘噪音’)突然变化的影响,从而实现非常有效的能量转换。”这项研究发表在今天的《科学》杂志上。“绿色植物是绿色的,而紫色细菌是紫色的,因为只有它们吸收的光谱中的某些区域适合阻止快速变化的太阳能。”

十几年前,加博在康奈尔大学攻读博士学位时,就开始考虑光合作用的研究。他想知道为什么植物拒绝最强的阳光——绿光。多年来,他与世界各地的物理学家和生物学家合作,学习更多关于光合作用和量子生物学的统计方法。

英国格拉斯哥大学著名植物学家理查德科戴尔也是这篇研究论文的合著者。他鼓励加博尔扩展该模型,以包括在入射太阳光谱非常不同的环境中生长的更广泛的光合生物。

他说:“兴奋的是,我们后来可以证明,这个模型可以用于除绿色植物以外的其他光合生物,而且这个模型决定了光合光收集的一般和基本特征。”“我们的研究表明,通过选择与入射太阳光谱相关的位置来吸收太阳能,可以最大限度地降低输出噪声,这些信息可以用来增强太阳能电池的性能。”

合著者Rienk van Grondelle是荷兰阿姆斯特丹自由大学有影响力的实验物理学家。他从事光合作用的主要物理过程。他说,研究团队发现,一些光合作用系统的吸收光谱选择了某些光谱激发区域,可以消除噪声,最大化能量。商店。

Van Grondelle说:“这种非常简单的设计原理也可以应用于人造太阳能电池的设计。”

Gabor解释说,植物和其他光合生物有许多策略来防止过度暴露在阳光下造成的损害,从能量释放的分子机制到叶片的物理运动,再到追踪太阳的方法。就像防晒霜一样,植物甚至已经发展出有效的紫外线防护。

他说:“显然,在光合作用的复杂过程中,保护生物体免受过度暴露是成功产生能量的驱动因素,这是我们开发模型的灵感。”“我们的模型结合了相对简单的物理学,但它与生物学中的大量观察结果一致。这是非常罕见的。如果我们的模型坚持正在进行的实验,我们可能会发现理论和观察结果之间甚至有更多的一致性,这将有助于我们理解自然的内在运行。”

为了建立模型,Gabor和他的同事将简单的网络物理学应用到生物学的复杂细节中,并能够对高度多样化的光合生物做出清晰、定量和普遍的陈述。

Gabor说:“我们的模型是第一个由假设驱动的解释,为什么植物是绿色的,我们给出了路线图,通过更详细的实验来检验模型。”

加博尔补充说,光合作用可以被认为是一个厨房水槽,水龙头流入,排水管允许水流出。如果流入水槽的水量远大于流出的水量,水槽就会溢出,水就会溢出整个地板。

他说:“在光合作用中,如果进入集光网络的太阳能流量明显大于发光网络的流量,光合作用网络必须适应,以减少突然的能量溢出。”“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。这样做,生物体将遭受氧化应激,从而损害细胞。”

研究人员对他们的模型如此普遍和简单感到惊讶。

葛伯说:“大自然总会给你惊喜。”“看起来如此复杂的事情可能会根据一些基本规则进行操作。我们将这个模型应用于具有不同光合生态位的生物,并继续复制精确的吸收光谱。在生物学中,每个规律都有例外,所以通常很难找到规律。令人惊讶的是,我们似乎发现了光合生命的一个规律。”

p>Gabor指出,在过去的几十年中,光合作用的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联系起来。我们的工作代表了解决这一矛盾的第一个定量物理模型。”

接下来,研究人员将在最近的几笔赠款的支持下,设计一种新颖的显微镜技术,以测试他们的想法,并使用量子光学工具推动光生物学实验技术的发展。

加博尔说:“人们对自然有很多了解,而且当我们解开它的奥秘时,自然只会更加美丽。”

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