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植物为什么是绿色的？叶绿素的演化之谜

来源：花匠小妙招时间：2025-01-07 08:03

植物为什么是不是其他颜色的呢？（绿光吸收具有降噪功能，保护组织安全）

植物为什么是绿色的呢？而不是黄色、白色、灰色或者紫色，黑色的呢？

大自然千奇百怪，花朵颜色众多，但森林或植物叶片总体而言是绿色的？这是为什么？简单而言，是因为植物叶片的叶绿体主要吸收了红光和蓝光，以及大多数的绿光，少量的反射了绿光，所以植物看起来就是绿色的。

也就是说，植物事实上吸收了90%的绿光，只是还有一小部分未吸收，否则植物就是黑色的了。植物之所以是绿色的，就是因为约有10%的绿光未被叶片吸收。

光线具有红、蓝、绿等几个种类，绿光其实是能量很强的可见光之一。那么，为什么不像红光和绿光那样，植物也把绿光全部吸收掉呢？为什么要浪费10%的高能量绿光呢？

光合作用到底如何发生，如何演化，机理又是怎么样。这是世界上最重要的科学问题之一。各行各业的科学家对此都极为关注。

光合作用是重要的科学问题

美国加州大学物理学Nathaniel Gabor家通过物理的模型来研究这个问题。它通过研究植物进行光合作用的纳米管状结构认为，结构上植物应该吸收那些能量较高的绿光，但事实上植物恰恰相反，它释放了一些绿光。

为什么呢？

原来，植物叶片中的叶绿体具有非常高效的转化能力。当光线摄入叶绿体上，光会被高效地转化为电子。电子如果太少，则会导致光反应失败；若是电子太多，则会导致太多的自由基。过多的自由基会损害植物细胞组织。

也就是说如果光线强度变化太大，导致光反应形成的“电子流”不稳定的话，会损伤植物叶片组织。

自然光线的变化，对于植物叶绿体组织来说是很具有挑战性的事。从波长短的蓝光到波长长的红光，光线变化会造成电子流过噪，因此减噪（减少波动和不确定性）是叶绿体进化过程中重要步骤。

因此，植物演化出两条不同的路径来吸收光，并转化为电子流。一条是相对稳定的提供充足的电子，另外一条是特殊的路径，缓冲突然变化的电子。

光合作用过程中降低自由基的路径

由于蓝紫光和红光都集中在相对波长内，而且能量高，因此是较为稳定的光源和能量源。为了保障叶片获取足够的能量，叶绿体首先就收了红光和蓝紫光，作为基本保障，降低内噪。所以植物大多就不会呈现出蓝色和红色。

绿光由于波长浮动较大，能量也高。植物因此将演化出了另外一条处理办法，作为缓冲降噪。叶绿色既吸收绿光，也丢掉一些绿光。

当外部光线变化的时候，叶绿素就可以根据光线来调整吸收绿光的量，来保证电子流的稳定供应，并同时达到降低自由基的效果，以保障机械（细胞组织）的完好。

物理学家的提出的理论模型，完好的解释了叶绿素吸收可见光的情况（如下图）。

植物吸收不同光以保障电子流的稳定模型

也就是说，叶绿素在对应不同波长和能量集中程度不同的蓝、绿、光的时候，丢掉一些绿光可大大提升整套光合系统的稳定性。

爽一时，不如爽一世。不能过了今天没有明天。从进化生物学的角度看，演化似乎更加重视系统的稳定性，而不是简单的追求效率。放弃部分绿光，不追求理论上效率的最大化，而是追求达到长久的稳定的光合速率。这或许就是植物为何是绿色的原因。

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。

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。

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