【Science】植物为什么是绿色的？减少光合作用中的噪声

来源:小庄 iPlants

在光合作用中，光捕获的量子效率达到100%。虽然光养生物面临的外部光环境是变化的，但生长在不同环境下的光养生物具有不同的捕光系统，且捕光效率仍然具有很好的稳定性。这些捕光系统能维持捕光效率的高度稳定是基于什么原理？ 陆地植物是绿色的，因为它们的光合色素反射绿光，然而绿光却拥有最多的能量。叶绿素a和叶绿素b却为什么具有红光和蓝紫光的吸收峰特征？ 近日，科学家利用计算系统生物学数学建模的方法回答了这些问题。在此，我们以简明易懂的语言来讲述这项研究的内容。

2020年6月26日，Science杂志在线发表了来自美国、英国、加拿大和荷兰科学家合作的，题为“ Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra ”的研究论文，同期Science杂志发表评论强调该研究的重要意义。他们建立了一个反映捕光效率的数学模型，发现只有叶绿素a和叶绿素b吸收峰适当的错开，且位于外界光谱急剧变化的区域，捕光效率的稳定性是最优化的，且该模型对于具有不同捕光复合体的绿色植物、紫细菌和绿硫细菌是普适的。

在模型中，作者将输入信号简化为捕光天线叶绿素a和叶绿素b，激发能在捕光复合体内部存在转移，最后都汇聚为同一个输出信号（上图A）。随着外界光谱发生变化，代入两种色素的光谱特征，即可输出不同的激发能，这些不同即为内部噪音（上图B和C）。过高的和过低的激发能对于光养生物来说都是不利的。理论上，当改变a和b的光谱特征，输出的激发能分布就会发生改变，于是作者将a和b的吸收峰设置成非常靠近，错开一点和错开一大段三种情况，发现只有a和b的吸收峰适当地错开，且位于外界光谱急剧变化的波长范围内时，系统会更长时间地处于捕光效率最优化的状态（下图）。光养生物采取这种降低内部噪音的策略，以提高捕光效率的稳定性。

接下来，作者将视线放在三种光养生物绿色植物、紫细菌和绿硫细菌上，它们生活在截然不同的光环境下，具有不同的捕光天线组成，并且它们的捕光天线的吸收峰特征完全不同。作者将它们生存环境的外界光谱代入前述的模型，发现输出的捕光天线吸收峰特征与实际的的测量值非常吻合（下图A-C为试验测量值，D-F为模型预测值），且都位于光谱急剧变化的范围内。以绿硫细菌为例，这种细菌生活在水下1-2m的生态环境中，由于水的吸收和散射，太阳光谱在水面上和水下不同深度处具有不同的光谱特征。巧合的是，只有将水下2m的光谱特征代入模型，能重塑出绿硫细菌的捕光天线吸收峰特征。 这些结果暗示光合系统进化的驱动力不是为了获得最大的光捕获效率，而是在外界波动的光环境下，尽量降低内部噪音，使整个系统变得更加稳定。

总之，如果两种捕光天线色素的吸收峰相同，内部噪音就会极小，此时系统会受到外部噪音（波动的光环境）的强烈干扰；反之，如果两种捕光天线色素的吸收峰相差很大，整个系统的内部噪音会非常大。在进化的过程中，光养生物采取了将两种捕光天线色素的吸收峰位于外界光谱急剧变化的位置，并适当错开一点的策略，使得光合系统的稳定性达到最优化的状态。绿色植物呈现绿色，而紫色细菌则呈现紫色，因为只有它们吸收的光谱中的特定区域才适合防止快速变化的太阳能。该研究也提示，如果想构建人造光合系统，应该模拟这种策略。