为什么植物是绿色的？降低光合作用中的噪音

从亚马逊丛林中的大树到室内植物，再到海洋中的海藻，绿色是统治植物王国的颜色。为什么是绿色，而不是蓝色、洋红色或灰色？答案很简单，尽管植物几乎吸收了光谱中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。如果它们吸收得更多，我们会觉得它们是黑色的。植物之所以是绿色，是因为它们反射的少量光线就是这种颜色。

但这似乎是令人不满意的浪费，因为太阳辐射的大部分能量都在光谱的绿色部分。当被要求进一步解释时，生物学家有时会提出，绿光可能太强大了，植物使用起来不会不受伤害，但原因尚不清楚。即使在对植物的捕光机制进行了数十年的分子研究之后，科学家们也无法为植物的颜色建立一个详细的理论基础。

不过，最近在《科学》杂志上，科学家们终于给出了一个更完整的答案。他们建立了一个模型来解释为什么植物的光合作用机制浪费绿光。他们没有想到的是，他们的模型也能解释其他光合作用形式的生命的颜色。他们的发现指出了一个可能适用于整个宇宙的关于捕光有机体的进化原理。它们还提供了一个教训，那就是--至少有时--进化更关心的是保持生物系统的稳定，而不是让它们变得高效。

植物的颜色之谜是几年前加州大学河滨分校的物理学家纳撒尼尔·加博(Nathaniel Gabor)在完成博士学位时偶然发现的。根据他对碳纳米管吸收光的研究，他开始思考理想的太阳能收集器应该是什么样子，一个吸收太阳光谱峰值能量的收集器。他说：“你应该让这个狭窄的设备获得最大的绿灯功率。”“然后我立刻想到，植物正在做相反的事情：它们发出绿光。”

2016年，Gabor和他的同事们为调节能量流动的光电电池建立了最佳条件的模型。但为了了解植物为什么会反射绿光，加博和包括格拉斯哥大学植物学家理查德·科格尔(Richard Cogdell)在内的一个团队将光合作用过程中发生的事情作为网络理论中的一个问题进行了更仔细的研究。

光合作用的第一步发生在一个捕光复合体中，这是一个蛋白质网，其中嵌入了色素，形成了一个天线。色素-绿色植物中的叶绿素-吸收光线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。这个光合作用的量子力学第一阶段的效率几乎是完美的-几乎所有吸收的光都被转化为系统可以使用的电子。

但是细胞内的天线复合体在不停地移动。“就像果冻一样，”加博说。“这些运动会影响能量如何通过颜料流动”，并给系统带来噪音和低效。落在植物上的光线强度的快速波动-例如，由于遮荫量的变化-也会使输入变得嘈杂。Gabor说，对于细胞来说，稳定的电能输入和稳定的化学能输出是最好的：到达反应中心的电子太少会导致能量衰竭，而“太多的能量会导致自由基和各种过度充电的效应”，从而损害组织。

Gabor和他的团队为植物的采光系统开发了一个模型，并将其应用于在树冠下测量的太阳光谱。他们的工作清楚地说明了为什么纳米管太阳能电池不适用于植物：专门收集绿光中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，输入信号的噪音会波动太大，以至于复合体无法调节能量流动。

取而代之的是，为了安全、稳定的能量输出，光系统的色素必须以某种方式进行非常精细的调整。这些颜料需要吸收相似波长的光才能减少内部噪音。但它们也需要以不同的速率吸收光线，以缓冲由光强波动引起的外部噪音。因此，色素吸收的最佳光线位于太阳光谱强度曲线的最陡峭部分--光谱的红色和蓝色部分。

该模型的预测与绿色植物用来采集红光和蓝光的叶绿素a和b的吸收峰相匹配。看来，光合作用机制的进化并不是为了最高效率，而是为了获得最佳的平稳和可靠的产量。

一开始，科格德尔并不完全相信这种方法适用于其他光合作用的有机体，比如生活在水下的紫色细菌和绿色硫磺细菌，它们的名字是根据它们的色素反映的颜色命名的。将该模型应用于这些细菌生活的地方的可用阳光，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匹配。

“当我意识到这有多么重要时，我发现自己照着镜子在想：我怎么会这么笨，以前没有想过这件事？”科德尔说。

(有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之类的色素。但这些色素不是光合作用的：它们通常像防晒霜一样保护植物，缓冲它们暴露在光下的缓慢变化。)。

伦敦玛丽皇后大学(Queen Mary University Of London)生物物理学家克里斯托弗·达菲(Christopher Duffy)说，“我认为，用一个极其简单的物理模型来解释生物学中的一种模式，令人印象深刻。”达菲为“科学”杂志撰写了一篇关于该模型的评论。“很高兴看到一项理论指导的工作，它理解并推广了这样一种观点，即似乎正是系统的健壮性才是进化的驱动力。”

研究人员希望该模型可以用来帮助设计更好的太阳能电池板和其他太阳能设备。麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)高级物理化学家加布里埃拉·施劳-科恩(Gabriela Schlau-Cohen)表示，尽管光伏技术的效率已有相当大的进步，但“我要说，就稳健性和可扩展性而言，这并不是一个已解决的问题，这是植物已经解决的问题。”

加博还决心有朝一日将该模型应用于地球以外的生命。“如果我有另一颗行星，我知道它的恒星是什么样子，我能猜出光合作用的生命会是什么样子吗？”他问。在他公开提供的模型代码中，有一个选项可以对任何选定的频谱进行完全相同的操作。就目前而言，这项工作纯粹是假设的。“在接下来的20年里，我们可能会有足够的关于系外行星的数据来[回答]这个问题，”Gabor说。