了不起的光合作用!保持绿色的同时还能消除干扰

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-07-02

光合作用复合物发展背后的进化动力不是效率最大化,而是消除干扰。

近期,一个由物理学和生物学家组成的团队创建了一个独特的新模型。该模型表明,成功的光合作用在一定程度上是为了消除干扰。

他们从一个探讨了移动电话网络和电网的有效运作的科学中,获得了灵感,构建了一个再现光合作用采光的一般特征的模型。

这个模型试图解释光合作用生物(从植物到细菌)能够保护自己免受突然激增的太阳能的影响,并充分利用这种能量的基本设计原理。

来自美国加利福尼亚大学的物理学家Nathaniel M Gabor表示:“我们的模型表明,光合作用生物通过吸收非常特殊的光的颜色,可以自动保护自己免受突然变化的太阳能或干扰的影响,从而实现非常高效的能量转换。”

他补充道:“绿色植物之所以是绿色,紫色细菌之所以是紫色,是因为它们只有吸收光谱的特定区域,才能适应快速变化的太阳能。”

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图自pexels

该研究由Gabor及其同事Trevor Arp领导,并有来自美国、加拿大、苏格兰和荷兰的科学家参与其中。论文已发表在《科学》杂志上。

在光合作用过程中,来自太阳的光子被捕获光能的复合物网络吸收,作为电子激发态转移到反应中心,它们在那里被转换成植物和其它生物体用于驱动其新陈代谢的化学能量。

研究人员表示,这些网络十分高效,尽管光线在不断变化,生理结构有多么复杂,但每个光子都能转换成化学上有效的电子。

依赖光合作用的生物的各个阶段中,其光采集的形式和功能各不相同,但尚不清楚这种有效的系统下是否隐藏着一套相同的“设计”原则。

为了测试这一点,Gabor和他的同事应用了网络理论模型,揭示了在三个条件下实现最佳采光所需的最基本要求:阳光充足、树叶遮盖和水下。

他们发现,在光波的小范围内,通过使用两种色素来吸收不同波长的光,不同环境下的光合作用生物可以减轻太阳能的突然变化带来的影响,并最大限度地降低采光复合物输出中能量波动或“噪音”的可能性。

他们的研究结果阐述了采光复合物是如何进化到能获得最大的能量转换的,并为解释观察到的一些光合生物体中波长依赖的变化提供了基础。

Gabor表示,根据这一研究,他们能够对高度多样化的光合作用生物做出清晰、定量和通用的陈述。

“我们的模型是阐述植物绿色原因的第一个假设驱动解释,”他说,“我们给出一个路线图,并通过更详细的实验来测试模型。”

他补充说道,如果这个模型“能够持续下去”,“我们可能会发现理论和观察之间存在的更多一致,从而对大自然的内部工作有更深刻的领悟。”

伦敦玛丽女王大学的Christopher Duffy在《科学》杂志的相关评论中表示,这一发现很重要,因为它“表明光合作用复合物发展背后的进化动力不是效率最大化,而是消除干扰。”


蝌蚪五线谱编译自cosmosmagazine,译者李彤馨,转载须授权

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