阳光、雨露、土壤，植物的茁壮生长离不开自然环境的滋养。然而植物虽然依赖阳光，却也不是越多越好，过量的光照会诱使高能化合物生成，最终导致植物受伤或死亡。

 

高能化合物的生成，是由于光能转化成化学能的效率不及光向植物传递的速度。美国亚利桑那州立大学化学家德文斯·古斯特认为，这些化合物的生成并不是不受限制的，因为植物会通过一个精细的系统来抵御它们带来的危害。为了更好了解这一过程，古斯特和他的同事托马斯·摩尔教授、安娜·摩尔教授一起，设计了一个分子以模拟自然条件下的调节过程。该成果发表在近期出版的《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。

 

在自然条件下，植物利用非光化学淬灭机制(NPQ)抵御阳光的过量摄入。这一过程将过量的光能通过热能的形式排放出去，使得植物无法生产出破坏性的高能化合物。植物吸收的光能只有3条去路：光合作用、叶绿素荧光和热。根据能量守恒，叶绿素荧光产量的下降(淬灭)有可能是由光合作用的增加或热耗散的增加引起的。由光合作用引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭；由热耗散引起的荧光淬灭称之为非光化学淬灭。

 

亚利桑那州立大学设计的这种分子的工作机理与NPQ机理相似，只是它将吸收的光能转化成电化学能量而非热能，同时，随着光强的增加该分子转化效率会降低。该分子包括3个组成部分：两个光接收天线和一个可逆感光异构控制单元。光接收天线由嘌呤电子给体和富勒烯(碳元素的同素异形体)电子受体构成，感光异构单元可以实现二氢吲嗪与甜菜碱间的异构化。

 

当阳光照射在该分子溶液上时，嘌呤会吸收光将光能转化成电化学势能。光强增加时，二氢吲嗪异构转化成为甜菜碱，使嘌呤释放出能量，转化成热能，避免过量电化学势能的产生。随着光强越来越强，越来越多的分子开关失去转化能量的功能，能量转化效率变低。尽管该机制与NPQ机制不同，但是所达到的效果与自然界的光合作用是相同的。这一过程体现了分子适应周围环境，调节自身行为应对光强的能力。

 

托马斯•摩尔解释说，活体细胞的一个重要特点就是它们有能力去感受和反馈周围环境，这个化学过程成功地反映了新陈代谢在分子水平上的调控过程。从功能上说，这个过程模仿了光合作用中严格限制较高植物的能量转化效率的一个路径。该项研究的一个重要意义在于通过在分子水平上了解植物调节机制，人们可以重新设计光合作用以提高能量转化效率，从而使其更加满足我们能量的需要。

 

该项研究标志着纳米技术领域中关于调节机制的研究取得重要进展。生物系统的自我调节功能众所周知，然而微小的分子如何对其微系统本身以及对外部刺激作出应答，从而保证所有的部分保持平衡并处于正常运转，从分子水平上清楚解释调节机制还有待研究。亚利桑那州立大学的该项研究通过非生物过程的模拟向世人清楚解释了一个生物调节系统，为这一领域的研究进展迈出重要一步。（来源：科技日报 张佳星）

 

（《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology），doi:10.1038/nnano.2008.97，Stephen D. Straight，Devens Gust）