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為什么植物是綠色
Release Time：2020-07-21當照在葉子上的陽光迅速變化時，植物必須保護自己免受隨之而來的突然的太陽能激增。為了應對這些變化，從植物到細菌的光合生物發(fā)展了許多策略。但是，科學家無法確定基本的設計原理。
由加州大學里弗賽德分校的物理學家納撒尼爾·M·加博爾（Nathaniel M. Gabor）領導的國際科學家團隊現(xiàn)已構建了一個模型，該模型再現(xiàn)了在許多光合生物中觀察到的光合光收集的一般特征。
集光是通過結合蛋白質的葉綠素分子收集太陽能。在光合作用中-綠色植物和其他一些生物利用陽光從二氧化碳和水中合成食物的過程-光能的收集始于吸收陽光。
生物學研究人員的模型借鑒了復雜網(wǎng)絡科學的思想，該領域致力于探索手機網(wǎng)絡，大腦和電網(wǎng)中的高效運行。該模型描述了一個簡單的網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠輸入兩種不同顏色的光，但可以輸出穩(wěn)定的太陽能發(fā)電率。僅兩個輸入的這種不正常選擇會產(chǎn)生顯著的后果。
“我們的模型表明，通過僅吸收非常特定顏色的光，光合生物可以自動保護自己免受太陽能突然變化（或'噪聲'）的影響，從而實現(xiàn)非常有效的功率轉換，” Gabor副教授說道。物理學和天文學領導的這項研究今天出現(xiàn)在《科學》雜志上。 “綠色植物呈現(xiàn)綠色，而紫色細菌則呈現(xiàn)紫色，因為只有它們吸收的光譜中的特定區(qū)域才適合防止快速變化的太陽能。”
十多年前，Gabor在康奈爾大學（Cornell University）攻讀博士學位時，就開始思考光合作用的研究。他想知道為什么植物會拒絕綠光，即最強的太陽光。多年來，他與世界各地的物理學家和生物學家合作，以了解有關光合作用的統(tǒng)計方法和量子生物學的更多信息。
英國格拉斯哥大學的植物學家理查德·科格德爾（Richard Cogdell）也是該研究論文的合著者，他鼓勵Gabor擴展該模型，使其包括在入射太陽光譜非常不同的環(huán)境中生長的更廣泛的光合生物。
他說：“令人興奮的是，我們隨后能夠證明該模型在綠色植物以外的其他光合生物中也起作用，并且該模型確定了光合光收集的一般和基本特性。” “我們的研究表明，通過選擇與入射太陽光譜相關的吸收太陽能的位置，可以最大程度地減小輸出噪聲，這些信息可用于增強太陽能電池的性能。”
合著者Rienk van Grondelle是荷蘭阿姆斯特丹阿姆斯特丹自由大學的有影響力的實驗物理學家，他從事光合作用的主要物理過程，他說研究小組發(fā)現(xiàn)某些光合系統(tǒng)的吸收光譜選擇了某些光譜激發(fā)區(qū)域，這些區(qū)域可以消除噪音并使能量最大化。存儲。
凡·格朗代爾（van Grondelle）說：“這種非常簡單的設計原理也可以應用于人造太陽能電池的設計中。”
Gabor解釋說，植物和其他光合作用生物具有多種策略來防止由于過度暴露于太陽而造成的損害，從能量釋放的分子機制到葉片的物理運動以追蹤太陽的方法不等。就像防曬霜一樣，植物甚至已經(jīng)開發(fā)出有效的防紫外線功能。
他說：“在復雜的光合作用過程中，很明顯，保護有機體免于過度暴露是成功產(chǎn)生能量的驅動因素，這是我們用來開發(fā)模型的靈感。” “我們的模型結合了相對簡單的物理學，但是與生物學中的大量觀察結果一致。這非常罕見。如果我們的模型堅持進行下去的實驗，我們可能會發(fā)現(xiàn)理論和觀察結果之間甚至有更多的一致性，從而可以深入了解大自然的內在運作。”
為了構建模型，Gabor和他的同事將簡單的網(wǎng)絡物理學應用于生物學的復雜細節(jié)，并且能夠就高度多樣化的光合生物做出清晰，定量和通用的陳述。
Gabor說：“我們的模型是由假設驅動的第一個解釋，為什么植物是綠色的，我們給出了通過更詳細的實驗測試模型的路線圖。”
Gabor補充說，光合作用可以被認為是廚房的水槽，其中水龍頭流入水，排水管允許水流出。如果流入水槽的水量比向外的水量大得多，水槽就會溢出，水會溢出整個水槽。
加伯說：“自然永遠會讓你感到驚訝。” “看似復雜的事情可能會基于一些基本規(guī)則進行操作。我們將該模型應用于不同光合生態(tài)位的生物，并繼續(xù)復制出準確的吸收光譜。在生物學中，每條規(guī)則都有例外，因此發(fā)現(xiàn)一個規(guī)則通常非常困難。令人驚訝的是，我們似乎已經(jīng)找到了光合作用生命的規(guī)則之一。”
Gabor指出，在過去的幾十年中，光合作用的研究主要集中在光合作用過程的微觀組成部分的結構和功能上。
他說：“生物學家很清楚，鑒于生物幾乎無法控制其外部條件，因此通常無法對生物系統(tǒng)進行微調。” “迄今為止，這一矛盾尚未得到解決，因為沒有模型將微觀過程與宏觀特性聯(lián)系起來。我們的工作代表了第一個解決這一矛盾的定量物理模型。”
接下來，研究人員將在最近的幾筆贈款支持下，設計一種新穎的顯微鏡技術，以測試他們的想法，并使用量子光學工具推進光生物學實驗技術。
加博爾說：“人們對自然有很多了解，而且當我們解開它的奧秘時，它看起來只會更加美麗。”
