據(jù)國外媒體報(bào)道,，美國科學(xué)家近日稱,，他們最近在實(shí)驗(yàn)室成功地用計(jì)算機(jī)模擬了植物的光合作用，并據(jù)此培育出品種更加優(yōu)良的植物,。這種新植物不需要額外增加養(yǎng)份,，就可以長出更茂盛枝葉和果實(shí)。
美國伊利諾伊大學(xué)植物生物學(xué)和作物科學(xué)教授斯蒂夫-隆表示,，目前研究人員能夠在超級計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)光合作用過程,，并對所有可能的排列進(jìn)行測試。在農(nóng)作物,，如小麥,，結(jié)出谷粒前，絕大部分被吸收的氮都變成了植物葉片中的用來促進(jìn)光合作用的蛋白質(zhì),。為此,，研究人員們提出了一個(gè)簡單的問題：“我們能不能像植物那樣給不同的光合蛋白質(zhì)準(zhǔn)備一定數(shù)量的氮，甚至比植物做得更漂亮呢,？”
首先,，研究人員建立了一個(gè)可靠的光合作用模型，以便精確模擬植物對環(huán)境變化的光合反應(yīng),。為了完成這個(gè)艱巨的任務(wù),，科學(xué)家們使用了由美國國家超級電腦應(yīng)用中心提供的計(jì)算資源。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)此模型的科學(xué)家包括國家超級電腦應(yīng)用中心的植物生物學(xué)家朱新廣,、隆教授以及伊利諾斯州計(jì)算數(shù)學(xué)專家艾里克-斯特勒,。在確定光合作用中每種蛋白質(zhì)的相對數(shù)量后，研究人員設(shè)計(jì)出了一系列連鎖微分方程式,，每個(gè)方程模擬了光合作用中的一個(gè)步驟,。通過不斷的測試和調(diào)整模型，研究小組最終成功預(yù)測了在真實(shí)葉片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,，其中包括葉片對環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)反應(yīng),。接下來，研究人員們對模型進(jìn)行編程,，以隨機(jī)改變光合作用過程中每種蛋白酶的含量水平,。
模型運(yùn)用“進(jìn)化算法”搜尋各種酶，以提高植物的產(chǎn)量,。一旦實(shí)驗(yàn)證明某種酶的相對高濃度可以提高光合作用的效率,，該模型就會利用此實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行下階段的測試,。科學(xué)家們通過這種方法確定了許多可以大大提高植物生產(chǎn)力的蛋白質(zhì),。這個(gè)最新發(fā)現(xiàn)也印證了其他一些研究人員的研究結(jié)果,，他們發(fā)現(xiàn)，在基因改造植物中,，當(dāng)這些蛋白質(zhì)中某一種的含量得到增加,，植物產(chǎn)量就會隨之提高。斯蒂夫-隆說：“通過改變氮的投入,，我們幾乎可以使光合作用效率提高兩倍,。然而，隨之而來的一個(gè)顯而易見的問題是,，為何植物的生產(chǎn)力可以提高如此之多,，為何植物還未能進(jìn)化到可以自身進(jìn)行如此高效的光合作用？這個(gè)問題的答案可能在于,，進(jìn)化的目的是生存和繁殖,，而我們實(shí)驗(yàn)的目的是增加產(chǎn)量。模型中顯示的變化很可能會破壞植物在野外的生存,，因此這種模擬只適合在農(nóng)民的農(nóng)場中進(jìn)行,。”
斯蒂夫-隆教授說，目前全球每年通過光合作用能夠固定2200億噸生物質(zhì),，相當(dāng)于世界上所有能耗的10倍,。要植物產(chǎn)生更多的生物質(zhì)，就需要提高光合效率,。通過高新技術(shù)轉(zhuǎn)化,，我們甚至可以讓有些藻類在光合作用的調(diào)節(jié)與控制下直接產(chǎn)生氫。光合作用與農(nóng)業(yè)的關(guān)系同樣密切,，水稻與小麥的高產(chǎn)品種的光合作用效率可以達(dá)到1%至1.5%,，而甘蔗或者玉米的效率則可達(dá)到5%或者更高。如果人類可以人為地調(diào)控光能利用效率,，農(nóng)作物產(chǎn)量就會大幅度增加,。要徹底揭開這一謎團(tuán),，在很大程度上依賴于多學(xué)科的交差進(jìn)行研究,，依賴于高度純化和穩(wěn)定的捕光及反應(yīng)中心復(fù)合物的獲得，以及當(dāng)代各種十分復(fù)雜的超快手段和物理及化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與理論分析,。事實(shí)上,，當(dāng)代幾乎所有的物理、化學(xué)學(xué)科中,，最先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)都可以用到光合作用研究中來,。
光合作用是植物,、藻類和某些細(xì)菌利用葉綠素，在可見光的照射下,，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖,，并釋放出氧氣的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者,，是因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^光合作用利用無機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物并且貯存能量,。通過食用，食物鏈的消費(fèi)者可以吸收到植物所貯存的能量,，效率為30%左右,。對于生物界的幾乎所有生物來說，這個(gè)過程是它們賴以生存的關(guān)鍵,。而地球上的碳氧循環(huán),，光合作用是必不可少的。(劉妍)
