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【Science】植物為什么是綠色的？減少光合作用中的噪聲

來源:小莊 iPlants

在光合作用中，光捕獲的量子效率達到100%。雖然光養(yǎng)生物面臨的外部光環(huán)境是變化的，但生長在不同環(huán)境下的光養(yǎng)生物具有不同的捕光系統(tǒng)，且捕光效率仍然具有很好的穩(wěn)定性。這些捕光系統(tǒng)能維持捕光效率的高度穩(wěn)定是基于什么原理？ 陸地植物是綠色的，因為它們的光合色素反射綠光，然而綠光卻擁有最多的能量。葉綠素a和葉綠素b卻為什么具有紅光和藍紫光的吸收峰特征？ 近日，科學(xué)家利用計算系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)學(xué)建模的方法回答了這些問題。在此，我們以簡明易懂的語言來講述這項研究的內(nèi)容。

2020年6月26日，Science雜志在線發(fā)表了來自美國、英國、加拿大和荷蘭科學(xué)家合作的，題為“ Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra ”的研究論文，同期Science雜志發(fā)表評論強調(diào)該研究的重要意義。他們建立了一個反映捕光效率的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)只有葉綠素a和葉綠素b吸收峰適當?shù)腻e開，且位于外界光譜急劇變化的區(qū)域，捕光效率的穩(wěn)定性是最優(yōu)化的，且該模型對于具有不同捕光復(fù)合體的綠色植物、紫細菌和綠硫細菌是普適的。

在模型中，作者將輸入信號簡化為捕光天線葉綠素a和葉綠素b，激發(fā)能在捕光復(fù)合體內(nèi)部存在轉(zhuǎn)移，最后都匯聚為同一個輸出信號（上圖A）。隨著外界光譜發(fā)生變化，代入兩種色素的光譜特征，即可輸出不同的激發(fā)能，這些不同即為內(nèi)部噪音（上圖B和C）。過高的和過低的激發(fā)能對于光養(yǎng)生物來說都是不利的。理論上，當改變a和b的光譜特征，輸出的激發(fā)能分布就會發(fā)生改變，于是作者將a和b的吸收峰設(shè)置成非常靠近，錯開一點和錯開一大段三種情況，發(fā)現(xiàn)只有a和b的吸收峰適當?shù)劐e開，且位于外界光譜急劇變化的波長范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會更長時間地處于捕光效率最優(yōu)化的狀態(tài)（下圖）。光養(yǎng)生物采取這種降低內(nèi)部噪音的策略，以提高捕光效率的穩(wěn)定性。

接下來，作者將視線放在三種光養(yǎng)生物綠色植物、紫細菌和綠硫細菌上，它們生活在截然不同的光環(huán)境下，具有不同的捕光天線組成，并且它們的捕光天線的吸收峰特征完全不同。作者將它們生存環(huán)境的外界光譜代入前述的模型，發(fā)現(xiàn)輸出的捕光天線吸收峰特征與實際的的測量值非常吻合（下圖A-C為試驗測量值，D-F為模型預(yù)測值），且都位于光譜急劇變化的范圍內(nèi)。以綠硫細菌為例，這種細菌生活在水下1-2m的生態(tài)環(huán)境中，由于水的吸收和散射，太陽光譜在水面上和水下不同深度處具有不同的光譜特征。巧合的是，只有將水下2m的光譜特征代入模型，能重塑出綠硫細菌的捕光天線吸收峰特征。這些結(jié)果暗示光合系統(tǒng)進化的驅(qū)動力不是為了獲得最大的光捕獲效率，而是在外界波動的光環(huán)境下，盡量降低內(nèi)部噪音，使整個系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。

總之，如果兩種捕光天線色素的吸收峰相同，內(nèi)部噪音就會極小，此時系統(tǒng)會受到外部噪音（波動的光環(huán)境）的強烈干擾；反之，如果兩種捕光天線色素的吸收峰相差很大，整個系統(tǒng)的內(nèi)部噪音會非常大。在進化的過程中，光養(yǎng)生物采取了將兩種捕光天線色素的吸收峰位于外界光譜急劇變化的位置，并適當錯開一點的策略，使得光合系統(tǒng)的穩(wěn)定性達到最優(yōu)化的狀態(tài)。綠色植物呈現(xiàn)綠色，而紫色細菌則呈現(xiàn)紫色，因為只有它們吸收的光譜中的特定區(qū)域才適合防止快速變化的太陽能。該研究也提示，如果想構(gòu)建人造光合系統(tǒng)，應(yīng)該模擬這種策略。

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