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对于植物来说，阳光是一把双刃剑。它们需要阳光来驱动光合作用，这一过程使它们能够以糖分子的形式储存太阳能，但是过多的阳光会使它们的叶子脱水并受损。
植物保护自己不受这种光损伤的一个主要策略是将多余的光以热的形式散发出去。然而，在过去的几十年里，关于植物是如何实现这一目标的一直存在很多争论。
在光合作用中，聚光复合物扮演着两个看似矛盾的角色。他们吸收能量来驱动水分解和光合作用，但与此同时，当有太多的能量时，他们还必须能够摆脱它。
在一项新的研究中，研究人员首次直接观察到，植物是如何耗散能量的一种可能的机制。研究人员使用了一种高度灵敏的光谱学方法来确定过剩的能量是从叶绿素转移到其他称为类胡萝卜素的色素中，然后这些色素以热能的形式释放能量。
这是首次直接观察到绿色植物的聚光复合物中叶绿素向类胡萝卜素的能量转移，研究人员所说：“但到目前为止还没有人能够找到这种光物理途径。”
该研究发表在今天的《自然通讯》杂志上。
多余的能量
当阳光照射到植物上时，一种被称为聚光复合物的特殊蛋白质在叶绿素等色素的帮助下以光子的形式吸收光能。这些光子驱动糖分子的产生，糖分子储存能量供以后使用。
以前的许多研究已经表明，植物能够迅速适应阳光强度的变化。在阳光充足的条件下，它们只能将30%的阳光转化为糖，其余的则以热量的形式释放出来。如果这些多余的能量被允许留在植物细胞中，它就会产生有害的自由基分子，这种分子可以破坏蛋白质和其他重要的细胞分子。
研究人员说：“植物可以通过释放额外的能量来应对太阳强度的快速变化，但是这条光物理路径是什么已经争论了几十年了。”
关于植物如何摆脱这些额外的光子，最简单的假设是，一旦聚光复合物吸收了它们，叶绿素就会把它们传递给附近的类胡萝卜素分子——包括番茄红素和胡萝卜素，非常善于通过快速振动来消除多余的能量。它们也是熟练的自由基清除者，有助于防止对细胞的损伤。
在与叶绿素相关的细菌蛋白中也观察到类似的能量转移，但直到现在，还没有在植物中发现。很难观察到这种现象的原因之一是它发生的时间非常快(飞秒，或千万亿分之一秒)。另一个障碍是能量转移跨越了一个广泛的能级范围。直到最近，现有的观测这个过程的方法只能测量一小段可见光光谱。
年，施劳·科恩的实验室对飞秒光谱技术进行了改进，使他们能够看到更大范围的能级，从红光到蓝光。这意味着他们可以监测叶绿素(吸收红光)和类胡萝卜素(吸收蓝光和绿光)之间的能量转移。
在这项研究中，研究人员利用这项技术表明，光子从激发态(在一个聚光复合物中分散在多个叶绿素分子上)移动到复合体中邻近的类胡萝卜素分子。
“通过拓宽光谱带宽，我们可以看到蓝色和红色范围之间的联系，允许我们绘制出能量级别的变化。你可以看到能量从一个激发态转移到另一个激发态，”研究人员说。
一旦类胡萝卜素吸收了多余的能量，它们就会以热的形式释放出大部分能量，从而防止光对细胞的伤害。
提高作物产量
研究人员在两种不同的环境中进行了实验，一种环境中，这些蛋白质在洗涤剂溶液中，另一种环境中，这些蛋白质被嵌入一种称为纳米圆盘的特殊类型的自组装膜中。他们发现能量转移在纳米圆盘中发生得更快，这表明环境条件影响了能量耗散的速度。
过量的阳光是如何在植物细胞内触发这种机制的，这仍然是个谜。实验室正在探索叶绿体膜中叶绿素和类胡萝卜素的组织是否在激活光保护系统中起作用。
更好地了解植物的自然光保护系统可以帮助科学家开发出提高作物产量的新方法。伊利诺伊大学的研究人员在年发表的一篇论文显示，通过过度生产所有与光保护有关的蛋白质，农作物产量可以提高15%至20%。那篇论文还建议，产量可以进一步提高到理论最高约30%。
如果我们了解其机制，而不是简单地提高所有东西的价格，得到15%到20%，我们就可以真正优化这个系统，达到30%的理论最大值。