加州大学河滨分校伊克巴尔·皮塔尔瓦拉 加州大学河滨分校领导的研究小组解释光合作用的模型展示了绿色植物如何将光能转化为化学能的下一个具有挑战性的研究阶段
学分:加州大学河滨分校加博尔实验室
当照射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太阳能突然激增的影响
为了应对这些变化，光合生物——从植物到细菌——已经开发了许多策略
然而，科学家们一直无法确定潜在的设计原则
一个由物理学家纳撒尼尔·M
加州大学河滨分校的加博尔现在已经构建了一个模型，该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
光收集是通过蛋白质结合的叶绿素分子收集太阳能
在光合作用中——绿色植物和一些其他生物利用阳光从二氧化碳和水合成食物的过程——光能收集始于阳光吸收
研究人员的模型借鉴了复杂网络科学的思想，这是一个探索手机网络、大脑和电网高效运行的研究领域
该模型描述了一个简单的网络，能够输入两种不同颜色的光，但输出稳定的太阳能
这种只有两种输入的不同寻常的选择具有显著的后果
“我们的模型表明，通过只吸收非常特定的颜色的光，光合生物可以自动保护自己免受太阳能的突然变化——或‘噪声’——的影响，从而产生非常有效的能量转换，”物理和天文学副教授加博尔说，他领导了今天发表在《科学》杂志上的这项研究
“绿色植物呈现绿色，紫色细菌呈现紫色，因为只有它们吸收光谱的特定区域才适合抵御快速变化的太阳能
" 十多年前，当加博尔还是康奈尔大学的博士生时，他第一次开始思考光合作用研究
他想知道为什么植物拒绝最强的太阳光——绿光
多年来，他与世界各地的物理学家和生物学家合作，学习更多关于统计方法和光合作用的量子生物学的知识
英国格拉斯哥大学的著名植物学家理查德·科戴尔是这篇研究论文的合著者，他鼓励加博尔将该模型扩展到更广泛的光合生物，这些生物生长在入射太阳光谱非常不同的环境中
“令人兴奋的是，我们随后能够证明该模型在除绿色植物之外的其他光合生物中也有效，并且该模型确定了光合光收集的一般和基本特性，”他说
“我们的研究表明，通过选择相对于入射太阳光谱吸收太阳能的位置，可以最大限度地降低输出噪声——这些信息可用于提高太阳能电池的性能
" 荷兰阿姆斯特丹自由大学有影响力的实验物理学家、研究光合作用的主要物理过程的合著者Rienk van Grondelle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声并最大化储存的能量
“这个非常简单的设计原则也可以应用到人造太阳能电池的设计中，”范·格罗德尔说，他在光合作用光收集方面有丰富的经验
加博尔解释说，植物和其他光合生物有各种各样的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跟踪太阳的物理运动。
植物甚至对紫外线产生了有效的保护，就像防晒霜一样
“在光合作用的复杂过程中，很明显，保护生物体免受过度暴露是成功能源生产的驱动因素，这也是我们用来开发模型的灵感，”他说
“我们的模型结合了相对简单的物理学，然而它与生物学中大量的观察结果是一致的
这非常罕见
如果我们的模型经得起持续的实验，我们可能会发现理论和观测之间更大的一致性，从而对自然界的内部运作有更深刻的了解
" 为了构建这个模型，加博尔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
“我们的模型是对植物为什么是绿色的第一个假设驱动的解释，我们给出了一个路线图，通过更详细的实验来测试这个模型，”加博尔说
处理噪音的光合天线
信用:娜塔莉·卡里，科学/美国科学促进会 加博尔补充说，光合作用可以被认为是厨房的水槽，水龙头让水流入，排水管让水流出
如果流入水槽的流量比流出的流量大得多，水槽就会溢出，水就会洒满地板
“在光合作用中，如果进入光收集网络的太阳能流量明显大于流出的流量，光合作用网络必须适应以减少能量的突然过度流动，”他说
“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
在这样做的过程中，生物体会经历氧化应激，从而损伤细胞
" 研究人员对他们的模型如此普遍和简单感到惊讶
“大自然总是会给你惊喜，”加博尔说
“看起来如此复杂的事情可能会基于一些基本规则来运作
我们将该模型应用于不同光合生态位的生物，并继续复制准确的吸收光谱
在生物学中，每条规则都有例外，以至于找到一条规则通常非常困难
令人惊讶的是，我们似乎发现了光合生命的一个规则
" 加博尔指出，在过去的几十年里，光合作用的研究主要集中在光合作用过程中微观成分的结构和功能上
“生物学家很清楚，生物系统通常不会被很好地调整，因为生物很少能控制它们的外部条件，”他说
“这一矛盾至今没有得到解决，因为不存在将微观过程与宏观特性联系起来的模型
我们的工作代表了第一个解决这个矛盾的定量物理模型
" 接下来，在最近几项资助的支持下，研究人员将设计一种新的显微镜技术来测试他们的想法，并利用量子光学工具推进光生物学实验技术
“关于自然有很多需要了解的地方，只有当我们揭开它的神秘面纱时，它才会看起来更加美丽，”加博尔说
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