國(guó)際科學(xué)家小組建立光合捕光模型

當(dāng)照射在葉子上的陽(yáng)光迅速變化時(shí)，植物必須保護(hù)自己免受迅速變化的太陽(yáng)能刺激。為應(yīng)對(duì)這些變化，光合生物，從植物到細(xì)菌已進(jìn)化出許多應(yīng)對(duì)策略，然而，科學(xué)家們?nèi)圆荒艽_定其潛在的設(shè)計(jì)規(guī)則。

最近，由加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)家Nathaniel M.Gabor 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家小組建立了一個(gè)模型，再現(xiàn)了光合生物中光合捕光的一般特征。

光合捕光是蛋白質(zhì)結(jié)合的葉綠素分子對(duì)太陽(yáng)能的收集，而光合作用是綠色植物和其它生物利用陽(yáng)光從CO2和水中合成食物的過(guò)程，光合捕光從吸收陽(yáng)光開(kāi)始。

研究人員的模型借鑒了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)思想，這是一個(gè)探索手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大腦和電網(wǎng)高效運(yùn)作的研究領(lǐng)域。該模型是一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，可接收兩種不同顏色的光，輸出穩(wěn)定速率的太陽(yáng)能。

模型表明，光合生物僅吸收光的某些區(qū)域的顏色就可自動(dòng)保護(hù)它們不受太陽(yáng)能的突然變化或“噪聲”影響，從而產(chǎn)生效率非常高的能量轉(zhuǎn)換。綠色植物呈綠色、紫色細(xì)菌呈紫色是因?yàn)樗鼈冎晃展庾V中某些區(qū)域的光，即能抵御快速變化的太陽(yáng)能。

令人興奮的是，除綠色植物外，該模型還適用于其他光合生物，且該模型確定了光合捕光的一般和基本特性。該研究表明，通過(guò)選擇性地吸收入射太陽(yáng)光光譜可將輸出“噪聲”降到最低，此研究可用于提高太陽(yáng)能電池性能，最大限度地增加能量?jī)?chǔ)存。

Gabor 解釋說(shuō)，植物和其他光合生物有各種策略來(lái)防止因過(guò)度暴露于太陽(yáng)而造成的損害，如能量釋放分子機(jī)制、葉片追蹤太陽(yáng)的物理運(yùn)動(dòng)等，植物甚至已發(fā)展出像防曬霜一樣有效防護(hù)紫外線(xiàn)的措施。

為構(gòu)建該模型，Gabor 和他的同事們將簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)物理學(xué)應(yīng)用到復(fù)雜的生物學(xué)，且對(duì)高度多樣化的光合生物做出了清晰、定量和通用的描述。 光合作用可看成是廚房的一個(gè)水槽，水龍頭進(jìn)水，排水管出水，如果流入水槽的水比外流的水大得多，水就會(huì)從水槽溢出而濺到地板上。

在光合作用中，如果流入捕光網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流出，那么光合網(wǎng)必須調(diào)節(jié)以降低這些突然出現(xiàn)的能量的過(guò)度流動(dòng)；當(dāng)光合網(wǎng)無(wú)法控制這些波動(dòng)時(shí)，生物體就試圖排出多余的能量，結(jié)果是其機(jī)體將遭受氧化應(yīng)激而損害細(xì)胞。