一种新的光合作用模型指出了一种可能适用于整个宇宙的关于光采集生物体的进化原理。
我知道你会说叶绿素，但是为什么会选择绿色？
从亚马逊丛林中的大树，到室内的植物，再到海洋中的海藻，绿色是统治植物王国的颜色。那么，植物为什么是绿色的呢？我知道你肯定会说叶绿素，但我想问的是：植物为什么会选择绿色，而不是蓝色、洋红色或灰色？答案其实也很简单，虽然植物几乎吸收了光谱中的红色和蓝色区域的所有光子，但它们只吸收了大约90%的绿色光子。如果它们吸收更多的光子，我们的眼睛就会觉得它们是黑色的。植物之所以是绿色的，是因为它们反射的少量光线是那种颜色。
绿色：占太阳辐射的大部分能量，为什么植物要浪费它呢？
但这似乎是一种不令人满意的浪费，因为太阳辐射的大部分能量都在光谱的绿色部分。当被要求到进一步解释时，生物学家有时会认为，绿光对植物来说可能太强大了，植物无法在对自身无害的情况下使用。但是，这只是一种猜测，具体原因一直不清楚。即使在对植物中的“光合机制”进行了几十年的分子研究之后，科学家们仍无法为植物的颜色建立一个详细的理论基础。
最新的论文——似乎给出了一个较为合理的解释
然而最近，在《Science》杂志上，科学家们终于提供了一个比较完整的答案。他们建立了一个模型来解释为什么植物的光合作用机制会浪费绿光。他们万万没有想到的是，他们的模型也能解释其他光合生物形式的颜色。他们的发现指出了一个可能适用于整个宇宙的光合生物的进化原则。他们还提供了一种经验——至少在某些时候，进化更关心的是保持生物系统的稳定，而不是使其更高效。
加利福尼亚大学河滨分校的物理学家纳撒尼尔·盖伯（NathanielGabor）多年前在完成博士学位时，偶然间发现了植物颜色的奥秘。根据他对碳纳米管吸收光的研究中，他开始思考理想的太阳能收集器会是什么样子——一个能吸收太阳光谱中峰值能量的收集装置。他表示：我们应该让这种“狭窄”的装置，通过绿光来获得最大的能量。然后我马上想到，植物正在做相反的事情：它们发出绿色的光。
加利福尼亚大学河滨分校的物理学家纳撒尼尔·盖伯(NathanielGabor)和他的同事们开发了一种用于光合生物中收集光线的模型，该模型将降低“噪音”的效率最大化。
年，盖伯（Gabor）和他的同事为调节能量流动的光电细胞建立了最佳条件的模型。但是为了了解植物为什么会反射绿光，盖伯（Gabor）和包括格拉斯哥大学植物学家理查德·科格德尔（RichardCogdell）在内的团队更仔细地研究了光合作用过程中发生的事情，并将其视为网络理论中的一个问题。
光合作用的第一步发生在一个集光复合体中，这是一个蛋白质的网状结构，色素被嵌入其中，形成一个天线色素。绿色植物中的色素——叶绿素——吸收光并将能量转移到反应中心，在那里开始产生供细胞使用的化学能。这种光合作用的量子力学第一阶段的效率近乎完美——几乎所有吸收的光都被转化为系统可以使用的电子。
但细胞内的这个天线复合体是不断移动的，盖伯（Gabor）认为：“就像果冻一样。这些运动影响能量如何通过色素流动。”并给系统带来噪音和低效率。照射在植物上的光线强度的快速波动——例如，由于遮荫量的变化，也会使输入产生噪音。盖伯（Gabor）表示，对于细胞来说，稳定的电能输入与稳定的化学能相结合输出是最好的：到达反应中心的电子太少会导致能量失效，而“能量过多会导致自由基和各种过充电效应”，从而损伤组织。
盖伯（Gabor）和他的团队开发了一个植物采光系统的模型，并将其应用于树叶冠层下的太阳光谱测量。他们的研究清楚了为什么对纳米管太阳能电池有效的东西对植物不起作用：专门收集绿光下的峰值能量可能效率很高，但这对植物是有害的，因为当阳光闪烁时，来自输入信号的噪声波动太大，使复合体无法调节能量流。
相反，为了安全、稳定地输出能量，光合作用系统的色素必须以某种方式进行非常精细的调节。这些色素需要吸收类似波长的光，以减少内部噪音。但它们也需要以不同的速率吸收光，以缓冲由波动引起的外部噪音。
但它们也需要以不同的速率吸收光，以缓冲光强度波动造成的外部噪声。那么，对色素来说，吸收的最佳光线是太阳光谱强度曲线最陡峭的部分——光谱的红色和蓝色部分。
该模型的预测与叶绿素a和b的吸收峰相吻合，而绿色植物正是利用叶绿素a和b来采集红光和蓝光。看来，光合作用机制的进化不是为了达到最高效率，而是为了获得最佳的平稳可靠的输出。
令人惊讶的是——该模型对其他光合生物也适用
起初，科格德尔（Cogdell）并不完全相信这种方法对其他光合生物也能成立，比如生活在水下的紫色细菌和绿色硫磺细菌，它们的色素所反射的颜色而得名。将这个模型应用到那些细菌生活的地方，研究人员预测了最佳吸收峰应该是什么。再一次，他们的预测与细胞色素的活性相吻合。
当我意识到这是多么重要问题的时侯，我看着镜子里的自己在想：我怎么会这么笨，为什么之前没有想到这个问题呢？科格德尔（Cogdell）说。
(有一些植物看起来不是绿色的，比如铜山毛榉，因为它们含有类胡萝卜素等色素。但这些色素不并是用来进行光合作用的：它们通常像防晒霜一样保护植物，缓冲它们在光照下的缓慢变化。)
我认为，用一个非常简单的物理模型来解释生物学中的一种模式，这是格外令人印象深刻的。伦敦玛丽皇后大学的生物物理学家克里斯托弗·达菲（ChristopherDuffy）说，他为《Science》杂志撰写了一篇随附的对该模型的评论。很高兴看到一个理论主导的研究内容，能够理解并促进了这样的想法，即系统的鲁棒性似乎是进化的驱动力。
太阳能设备的未来：我们可以从植物中，学习如何改进
研究人员希望该模型可以用来辅助设计更好的太阳能电池板和其他太阳能设备。尽管光伏技术的效率已经有了很大的进步，我想说的是，就稳固性和可扩展性而言，它还没有解决问题，而这是植物已经解决的问题。麻省理工学院的物理化学家加布里埃拉·施劳-科恩（GabrielaSchlau-Cohen）表示。
下一步：尝试猜测外星光合生物
盖伯（Gabor）也已下定决心，有朝一日努力将这一模型应用于地球以外的生命。如果我有另一个星球，而且我知道它的恒星是什么样的，我能猜到光合生命可能是什么样的吗？他对此进行了设想。在他的模型的代码中——这是公开的，有一个选项可以对任何选定的光谱进行精确的操作。目前，这项工作纯粹是假设性的。在接下来的20年里，我们可能会有足够的外行星数据，能够解答这个问题。盖伯（Gabor）对此十分有信心的解释道。
撰写：GolevkaTech
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