據(jù)國外媒體報道，美國科學家近日稱,，他們最近在實驗室成功地用計算機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,。
美國伊利諾伊大學植物生物學和作物科學教授斯蒂夫-隆表示，目前研究人員能夠在超級計算機上模擬整個光合作用過程,，并對所有可能的排列進行測試,。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光合作用的蛋白質(zhì)。為此,，研究人員們提出了一個簡單的問題：“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)。為了完成這個艱巨的任務(wù),，科學家們使用了由美國國家超級電腦應(yīng)用中心提供的計算資源。負責實現(xiàn)此模型的科學家包括國家超級電腦應(yīng)用中心的植物生物學家朱新廣,、隆教授以及伊利諾斯州計算數(shù)學專家艾里克-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)計出了一系列連鎖微分方程式，每個方程模擬了光合作用中的一個步驟,。通過不斷的測試和調(diào)整模型,，研究小組最終成功預測了在真實葉片上進行實驗的結(jié)果，其中包括葉片對環(huán)境變化的動態(tài)反應(yīng),。接下來,，研究人員們對模型進行編程，以隨機改變光合作用過程中每種蛋白酶的含量水平,。
模型運用“進化算法”搜尋各種酶,，以提高植物的產(chǎn)量。一旦實驗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驗結(jié)果進行下階段的測試,。科學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,，為何植物還未能進化到可以自身進行如此高效的光合作用？這個問題的答案可能在于,，進化的目的是生存和繁殖,，而我們實驗的目的是增加產(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到1%至1.5%,，而甘蔗或者玉米的效率則可達到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,，在很大程度上依賴于多學科的交差進行研究，依賴于高度純化和穩(wěn)定的捕光及反應(yīng)中心復合物的獲得,，以及當代各種十分復雜的超快手段和物理及化學技術(shù)的應(yīng)用與理論分析,。事實上，當代幾乎所有的物理,、化學學科中,，最先進的設(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，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產(chǎn)有機物并且貯存能量,。通過食用,，食物鏈的消費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)
