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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

当照在叶子上的阳光迅速变化时,植物必须保护自己免受随之而来的突然的太阳能激增。为了应对这些变化,从植物到细菌的光合生物发展了许多策略。但是,科学家无法确定基本的设计原理。

由加州大学里弗赛德分校的物理学家纳撒尼尔·M·加博尔(Nathaniel M.Gabor)领导的国际科学家团队现已构建了一个模型,该模型再现了在许多光合生物上观察到的光合光收集的一般特征。

集光是通过结合蛋白质的叶绿素分子收集太阳能。在光合作用中(绿色植物和其他一些生物利用阳光从二氧化碳和水中合成食物的过程),光能的收集从吸收阳光开始。

研究人员的模型借鉴了复杂网络科学的思想,该领域致力于探索手机网络,大脑和电网中的高效运行。该模型描述了一个简单的网络,该网络能够输入两种不同颜色的光,但可以输出稳定的太阳能功率。仅两个输入的这种不寻常的选择会产生显着的后果。

物理学副教授加博尔(Gabor)表示:“我们的模型表明,仅吸收非常特定颜色的光,光合作用生物就可以自动保护自己免受太阳能突然变化(或'噪声')的影响,从而实现非常有效的功率转换。”天文学的领导者,这项研究今天出现在《科学》杂志上。“绿色植物呈现绿色,而紫色细菌则呈现紫色,因为只有它们吸收的光谱中的特定区域才适合防止迅速变化的太阳能。”

十多年前,Gabor在康奈尔大学(Cornell University)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会拒绝绿光,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,以了解有关光合作用的统计方法和量子生物学的更多信息。

英国格拉斯哥大学著名植物学家理查德·科格德尔(Richard Cogdell)也是该研究论文的合著者,他鼓励Gabor扩展该模型,使其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:“令人兴奋的是,我们随后能够证明该模型可用于除绿色植物以外的其他光合生物中,并且该模型确定了光合光收集的一般和基本特性。”“我们的研究表明,通过选择与入射太阳光谱有关的位置吸收太阳能,可以最大程度地减少输出噪声,该信息可用于增强太阳能电池的性能。”

合著者Rienk van Grondelle是荷兰阿姆斯特丹阿姆斯特丹自由大学的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,他说研究小组发现某些光合作用系统的吸收光谱选择了某些光谱激发区域,这些区域可以消除噪音并使能量最大化。存储。

凡·格朗代尔(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中。”

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而造成的损害,从能量释放的分子机制到叶片的物理运动以追踪太阳的方法不等。就像防晒霜一样,植物甚至已经开发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,保护有机体免于过度暴露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,但是与生物学中的大量观察结果一致。这非常罕见。如果我们的模型坚持进行下去的实验,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,从而使我们对大自然的内在运作。”

为了构建模型,Gabor和他的同事将简单的网络物理学应用于生物学的复杂细节,并且能够对高度多样化的光合生物做出清晰,定量和通用的陈述。

加博尔说:“我们的模型是由假设驱动的第一个解释,为什么植物是绿色的,我们给出了通过更详细的实验来测试模型的路线图。”

Gabor补充说,光合作用可以被认为是厨房的水槽,其中水龙头流入水,排水管允许水流出。如果流入水槽的水量比向外的水量大得多,水槽就会溢出,水会溢出整个地板。

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出光网络的流量,则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,生物体会试图排出多余的能量。这样做时,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和简单感到惊讶。

加伯说:“自然永远会让你感到惊讶。”“看起来如此复杂的事情可能会基于一些基本规则进行操作。我们将该模型应用于不同光合生态位的生物,并继续复制出准确的吸收光谱。在生物学中,每条规则都有例外,因此发现一个规则通常非常困难。令人惊讶的是,我们似乎已经找到了光合作用生命的规则之一。”

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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