在光合作用中，光捕獲的量子效率達(dá)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(zhǎng)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？葉綠素a和葉綠素b為什么具有紅光和藍(lán)紫光的吸收峰特征？近日，科學(xué)家利用計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)學(xué)建模的方法回答了這些問(wèn)題。在此，我們以簡(jiǎn)明易懂的語(yǔ)言來(lái)講述這項(xiàng)研究的內(nèi)容。

2020年6月26日，Science雜志在線發(fā)表了來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、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(píng)論強(qiáng)調(diào)該研究的重要意義。他們建立了一個(gè)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(dāng)?shù)腻e(cuò)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(duì)于具有不同捕光復(fù)合體的綠色植物、紫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌是普適的。

在模型中，作者將輸入信號(hào)簡(jiǎn)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(gè)輸出信號(hào)。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。過(guò)高的和過(guò)低的激發(fā)能對(duì)于光養(yǎng)生物來(lái)說(shuō)都是不利的。理論上，當(dāng)改變a和b的光譜特征，輸出的激發(fā)能分布就會(huì)發(fā)生改變，于是作者將a和b的吸收峰設(shè)置成非?？拷?，錯(cuò)開一點(diǎn)和錯(cuò)開一大段三種情況，發(fā)現(xiàn)只有a和b的吸收峰適當(dāng)?shù)劐e(cuò)開，且位于外界光譜急劇變化的波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)更長(zhǎng)時(shí)間地處于捕光效率最優(yōu)化的狀態(tài)。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(lái)，作者將視線放在三種光養(yǎng)生物綠色植物、紫細(xì)菌和綠硫細(xì)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(shí)際的的測(cè)量值非常吻合，且都位于光譜急劇變化的范圍內(nèi)。以綠硫細(xì)菌為例，這種細(xì)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(yáng)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(xì)菌的捕光天線吸收峰特征。這些結(jié)果暗示光合系統(tǒng)進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力不是為了獲得最大的光捕獲效率，而是在外界波動(dòng)的光環(huán)境下，盡量降低內(nèi)部噪音，使整個(gè)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(huì)極小，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)受到外部噪音（波動(dòng)的光環(huán)境）的強(qiáng)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(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部噪音會(huì)非常大。在進(jìn)化的過(guò)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(dāng)錯(cuò)開一點(diǎn)的策略，使得光合系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)化的狀態(tài)。綠色植物呈現(xiàn)綠色，而紫色細(xì)菌則呈現(xiàn)紫色，因?yàn)橹挥兴鼈兾盏墓庾V中的特定區(qū)域才適合防止快速變化的太陽(yáng)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。