设为首页收藏本站
开启辅助访问 切换到宽版

科学网

 找回密码
  注册
科学网 › 标签 › 光合作用 › 相关日志

tag 标签: 光合作用

相关日志

[转载]藻类植物进化三种路线
syfox 2013-1-25 22:15
藻类植物可以是从原始的光合细菌发展而来的。光合细菌具有细菌绿素，利用无机的硫化氢作为氢的供应者，产生了光系统Ⅰ。原始藻类植物，如蓝藻类所具有的叶绿素 a，很可能是由细菌绿素进化而来的。蓝藻类利用广泛存在的水为氢的供应者，具有光系统Ⅱ，通过光合作用产生了氧。随着蓝藻类的产生，光合细菌类逐渐退居次要地位，而放氧型的蓝藻类则逐渐成为占优势的种类，释放出来的氧气逐渐改变了大气性质，使整个生物界朝着能量利用效率更高的喜氧生物方向发展。这个方向的进一步发展就产生了具有真核的红藻类，同时，类囊体单条地组成为叶绿体，但集光色素基本上一样，仍以藻胆蛋白为集光色素。蓝藻和红藻的集光色素，藻胆蛋白，需用大量能量和物质合成，是很不经济的原始类型，所以只能发展到红藻类，形成进化上的一个盲枝。 藻类植物的第二个发展方向是在海洋里产生含叶绿素a和叶绿素c的杂色藻类。叶绿素c代替了藻胆蛋白,进一步解决了更有效地利用光能的问题。在开始的时候，藻胆蛋白仍继续存在,如在隐藻类，但进一步的进化,效率较低的藻胆蛋白没有继续存在的必要而逐渐被淘汰，所以在比隐藻类较为高级的种类，如在甲藻类、硅藻类，除叶绿素a以外，只有叶绿素c，而藻胆蛋白消失了。迄今，海洋仍为含有叶绿素c的种类,包括甲藻类、金藻类、黄藻类和硅藻类等浮游藻类和褐藻类的底栖藻类，占据优势。但这个类群不能离开水体，仍是一个盲枝。 藻类植物的第三发展方向是在海洋较浅处产生绿色植物。它们除了叶绿素a以外，还产生了叶绿素b。据科学家估计,叶绿素a+b系统比之叶绿素a+藻胆蛋白系统，光合作用效率高出了3倍，也高于叶绿素a+c系统。这是藻类植物进化的主流。很可能十几年前发现的原绿藻就是这类植物的祖先。原绿藻植物出现的时间可能与原核的杂色藻类（尚未发现）差不多，但由于某种原因，可能与当时的大气光照条件有关，杂色藻类大量发展起来而原绿藻却停留在原始状态。后来，环境条件变为较为适合于叶绿素 b生物的生长，从原绿藻植物就产生了真核的绿藻类。它们不但已产生了叶绿体，而且已经有了比较其他藻类更加进步的光合器，即具有基粒的叶绿体。就是这类植物终于登陆，进一步演化为苔藓植物、蕨类植物及种子植物。几亿年前地球大气的含氧量已达到现在大气的百分之十，形成了臭氧屏蔽层，阻挡了杀伤生物的紫外线，使陆地具备了生命生存的条件。登上陆地后，光合生物的进化速度大大加快,在大约5亿年内就从原始的陆地植物发展到高等的种子植物。
个人分类: 学习|3517 次阅读|0 个评论
生肖植物说蛇菰
热度 7 saraca 2013-1-16 22:16
图1：盛开的蛇菇雄花序（摄影：刘强） 植物宝库中，带“蛇”的植物还不少，如蛇莓、蛇床、蛇葡萄、南蛇藤等。其中，有一类植物个体矮小，似菇非菇，令人侧目。这就是根寄生植物 — 蛇菰。 蛇菰是一群从土里冒出的棒状体型的被子植物，没有结构正常的叶子和根系。棒状植株的地下部分长有吸盘，专职吸附于附近寄主植物的根茎上，吸食寄主养分，供给自身生长需要。作为能进行光合作用的植物来说，蛇菰没有绿叶，茎基部或上部或多或少生有一些棕色叶状裂片，也只是一摆设。没有叶绿素，它无法进行光合作用，达到自养。从头至尾，蛇菰是一类彻头彻尾的“寄生植物”，且为荫蔽性的地下根寄生。文字里，“菰”指有真菌寄生的水生植物茭白；亦同“菇”音。因此，寄生性的蛇菰，也算名符其实哩！ 然而，作为被子植物，无论自养或寄生异养，它总会开花结籽。结构简单的蛇菰开花了，就在棒状结构的顶端，细细密密的小花组成了肉质的头状或穗状花序，浅黄色或紫褐色。开花的蛇菰，看上去就更像蘑菇了。为了加强后代的生存能力，蛇菰巧妙地避开了自花受精，开出的花为雌雄异花。同一花序上，雌花在下，雄花在上；或雌雄花混杂；或雌雄花分别长在不同的花序上。恰逢附近其它蛇菰正好开花，雌、雄花就错开成熟时间，完成异花授粉。 蛇菰花开结果，种子成熟落地萌发。然而，生存依旧是个问题：小蛇菰苗必须找到合适寄主，否则只能呜呼哀哉。这是否也在警醒世人：靠人不如靠己。只能“靠人”的蛇菰在森林里只能“海选”寄主，可遇不可求的情况下，蛇菰身影愈发稀少了。这也是蛇菰罕见，成为植物中异类奇葩的原因了。 蛇菰生活不易，偏巧又被人类视为珍稀良药，历来被收入各类药典。不过，天生我材必有用，能做一种有用的植物，蛇菰是不是觉得此生也值了？ 图2：林下阴暗环境下的蛇菇，状如蘑菇（摄影：刘强）。 图3：市场上兜售的蛇菇（摄影：李璐）
个人分类: 认识植物|15446 次阅读|24 个评论
波士顿材料协会年会纪行
热度 1 sulihong 2012-12-17 21:31
受美国材料协会主席邀请参加了在美国Boston召开的MRS(MATERIAL RESEARCH SOCIETY 2012 FALLING MEEETING)年会,并担任分会议主席.参会人员很多,包括了数十个国家.会议专题探讨内容可以对世界当前科研领域的热点有粗略的反映,我对会议大致有如下印象: 内容印象: 1.涉及能源的材料问题属于被研究较多的内容,看来世界各国科研工作者都对此予以关注.大致分为太阳能材料,与风能配套分散式热储能材料和超级电容,锂电池及燃料电池材料,核能材料和人工光合作用催化剂材料等.纳米作为一个概念贯穿其间. 2.对于功能材料研究也较多,多以纳米材料为切入点,涉及传感器和光电磁等特性等. 3.其他还有碳,高分子,合金和玻璃等. 4.材料分析仪器. 5.材料理论论文. 论文数目大致从多到少如上排列. 人员印象: 参会人员很多,包括多位诺奖得主.我因此也见到和认识了不少新老朋友, 美国居多.但是以色列和俄罗斯研究者这给我的印象最为深刻,其次是美国,日本,英法德意韩的研究者,还有新加坡,葡萄牙,巴西,西班牙等.之所以印象深刻,我仅仅是依我听其论文报告工作,仅仅是初步印象.美日和欧的研究者,其中大公司IBM,HP,五百强等公司等来了不少研究者。虽然同为IT公司和世界五百强,国内还未听说中石油、华为和联想有参会的,它们很多会认为这样的会议与其主营业务差得很远,这已经很能说明问题,我与HP的高级研究人员在组委会给各位主席举办的招待烛光酒会上大家相谈甚欢,知道她们参会的竟有十多人.后来我与参会院士谈及此事,他对有这么多五百强公司研究人员参会交流有同感,何时中国的大公司知道去寻找这样的会议中的技术价值。
个人分类: 评论|4383 次阅读|2 个评论
单细胞C4光合作用研究进展
shellyhep 2012-11-23 10:17
Frontiers in Biology第6期即将刊发加拿大University of Waterloo Simon D.X. Chuong教授的 一篇文章，题目为 Recent Progress In The Single-Cell C 4 Photosynthesis In Terrestrial Plants。 Simon D.X. Chuong教授研究领域主要为植物细胞核分子生物学，主要研究两类陆地植物单细胞 C 4 光合作用的细胞和分子机制。详细见
3914 次阅读|0 个评论
老芒麦叶片光合作用的光温生态特性研究
duzhanchi 2012-11-11 17:59
老芒麦 ( Elymus sibiricus ) ，亦称 西伯利亚披碱草 。具有 分蘖能力强、生长快、产草量高、品质好等优良特性；是我国温带和西南地区中高山地带广泛种植的牧草品种之一。该植物在种草养畜和草地生态保护中有着重要作用。以往对其生态适应性、生物学特性、生产性能、育种和栽培管理等方面研究较多，光合生理生态特性研究为数很少。本文研究了这种牧草光合速率与光辐射和温度的关系。 1. 条件和方法 研究地点位于内蒙古锡林河畔，中国科学院内蒙古草原生态系统定位站内。该地区属温带大陆性气候，典型草原地带，栗钙土，海拔高度约 1200m 。 测定样品老芒麦移自当地天然草原，土壤保持原状，盆栽；生长期间供水良好，生长健壮。在实验室人工光源 ( 碘钨灯 ) 下，采用红外线 CO 2 分析仪和叶室联用法，开放气路系统，在不同生育期分别测定不同光辐射和温度下的光合速率。整个生育期共测定 7 次，依次为营养期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆初期、灌浆中期和灌浆后期。测定部位均为最上充分展开叶；通常重复 5 次。 2. 结果和分析 2.1 老芒麦叶片光合作用与光辐射的关系 2.1.1 老芒麦叶片光合速率随光辐射的变化 图 1 为 不同生育期老芒麦叶片光合速率随光辐射的变化。分析表明，光合速率与光辐射均呈双曲线关系，相关系数都大于 0.95 ，极显著。结果显示，在不同光辐射下，光合速率均随生育期后移而减小；但在弱光辐射下，光合速率降低幅度更大。如以营养期的光合速率为 100% ，则灌浆后期的相对光合速率在 90 、 180 、 520 和 1100 μ mol · m -2 · s -1 光辐射下依次为 14.2% 、 17.8% 、 21.8% 和 23.2% 。 2.1.2 老芒麦叶片光合作用的光特性 光饱和点为植物呈现最大光合速率时的光辐射强度；近饱和点和半饱和点分别为最大光合速率 95% 和 50% 时的光辐射强度。光补偿点为光合速率为 0 时的光辐射强度。 研究结果表明，光合作用的光特性均随生育期而变化。光饱和点，在营养期较低，随着植物的生长发育，逐步上升，到抽穗期出现最高值，其后渐渐下降；营养期和灌浆期分别为抽穗期的 79% 和 68% ；近饱和点与光饱和点的变动规律相同。半饱和点，随生育期后移而逐渐升高，在灌浆中后期出现最高值，为营养期的 142% 。光补偿点在生育前期较低，抽穗期较高，其后略降。（表1） 表1 不同生育期老芒麦叶片光合作用的光特性 （单位 ： μ mol · m -2 · s -1 ） 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 光饱和点 近饱和点 半饱和点 光补偿点 1100 660 150 14 1240 750 150 14 1390 880 160 16 1100 800 160 15 1100 800 200 15 950 600 260 15 950 690 260 15 2.1.3 老芒麦叶片 光合作用的光辐射系数 光合作用的光辐射系数为光辐射强度每变化 1 μ mol · m -2 · s -1 时，光合速率（ μ mol CO 2 · m -2 · s -1 ）的变化量。以此定量说明光辐射对光合速率的影响程度。 从表2可以看出，在低辐射下，光辐射系数以营养期最高，其后，随生育期后移逐渐降低；灌浆后期仅为营养期的 17.8% 。在高辐射下，虽然亦是营养期最高，但随生育期的变化幅度较小，灌浆后期仅为营养期的 57.6% 。 表2 不同生育期老芒麦叶片光合 的 光辐射系数 （单位：μ mol · m -2 · s -1 / μ mol · m -2 · s -1 ） 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 低辐射（ 100 ）时 高辐射（ 900 ）时 0.067 0.0059 0.059 0.0047 0.054 0.0044 0.055 0.0046 0.033 0.0040 0.020 0.0079 0.012 0.0034 2.1.4 不同光辐射下老芒麦叶片的 光能利用效率 表3的数据表明，在不同的光辐射下，均以营养期的光能利用效率最高，孕穗期至开花期有所下降，但比较平稳；灌浆期降低幅度较大。灌浆后期与营养期比较，在光饱和点、近饱和点和半饱和点下，其光能利用率依次降低 72.0% 、 76.7% 和 85.7% 。 表3 各生育期不同光辐射下老芒麦叶片的 光能利用效率 (%) 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 光饱和点时 近饱和点时 半饱和点时 2.28 3.60 8.34 1.78 2.82 7.74 1.53 2.29 6.65 1.93 2.52 6.70 1.26 1.64 3.53 1.03 1.55 1.89 0.64 0.84 1.19 2.2 老芒麦叶片光合作用与温度的关系 2.2.1 老芒麦叶片光合速率随温度的变化 图 2 显示，从低温开始，老芒麦的光合速率随温度上升而升高，到达一定温度后，光合速率保持平稳状态，此时处于最适温度阶段；当温度继续升高时，光合速率逐渐下降，直到高温补偿点，光合速率降至 0 。无论在最适温度的低温侧，还是在高温侧，光合速率与温度之间均呈二次多项式关系。分析表明，其相关系数均大于 0.98 。进一步比较可以看出，其光合速率随着生育期后移而降低的幅度，在最适温度下，降低幅度较小；在低温侧，温度愈低，降低幅度愈大；在高温侧，温度愈高，降低幅度愈大。如灌浆后期与营养期比较，在最适温度下降低 59% ；在低温侧的 20 ℃和 10 ℃分别下降 60% 和 76 ℃；在高温侧的 40 ℃和 50 ℃分别下降 65% 和 89% 。 2.2.2 老芒麦叶片光合作用的温度特性 表4的数据表明，老芒麦光合作用的最适和适宜温度幅度，大致在开花期之前较宽，灌浆期相对较窄。温度饱和点以抽穗期之前较低，开花期之后升高，其后基本没有变化。高温补偿点在开花期之前较高，其后逐渐降低。低温补偿点的计算值在整个生育期几无变化。 表4 不同生育期老芒麦叶片光合作用的温度特性 （℃） 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 最适温度幅度 适宜温度幅度 温度饱和点 高温补偿点 低温补偿点（计算值） 4 15 20 61 0.1 6 14 19 59 0.1 4 9 22 60 0.1 3 10 24 59 0.1 1 10 24 56 0.0 2 7 24 52 0.0 1 9 24 50 0.0 2.2.3 老芒麦叶片 光合作用的温度系数 光合作用的温度系数为温度每变化 1 ℃ 时，光合速率（ μ mol CO 2 · m -2 · s -1 ）的变化量，以此定量说明温度对光合速率的影响程度。 计算结果显示，不同温度下其光合作用的温度系数不同；但在同一温度下，温度系数随生育期的变化趋势是一致的。现以 15 ℃（低温侧）和 35 ℃（高温侧）为例进行表述。由表5可见，老芒麦光合作用的温度系数，在最适温度的低温侧，以抽穗 - 开花期较高，之前和之后均相对较低，如 15 ℃时，以抽穗期为 100% ，则营养期和灌浆后期分别为 61.2% 和 31.1% ；在高温侧，以营养期较高，其后大致呈降低趋势，如 35 ℃时，以营养期为 100% ，则开花期和灌浆后期分别为 69.0% 和 37.5% 。 表5 不同生育期老芒麦叶片光合作用的温度系数 （单位：μ mol · m -2 · s -1 / ℃） 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 低温侧（ 15 ℃时） 高温侧（ 35 ℃时） 0.506 -0.553 0.524 -0.394 0.826 -0.411 0.814 -0.382 0.442 -0.332 0.435 -0.268 0.257 -0.207 2.2.4 不同光辐射下老芒麦叶片的 光能利用效率 老芒麦的光能利用系数，在 不同温度下有所不同；但在同一温度下，其随生育期的变化趋势也是一致的。 表6以最适温度、 10 ℃（低温侧）和 40 ℃（高温侧）为例予以说明。 在整个生育期，均以最适温度时的光能利用效率最高，高温侧和低温侧均明显降低，如在营养期，以最适温度时为 100% ，则 10 ℃和 40 ℃时，分别为 80.3% 和 71.8% 。在某一温度下，老芒麦的光能利用效率均随生育期后移而降低，如在最适温度、 10 ℃和 40 ℃时 ，灌浆后期分别为营养期的 23.9% 、 15.2% 、 18.1% 。 表6 各生育期不同温度下老芒麦叶片光合作用的 光能利用效率 (%) 项目 营养期 孕穗期 抽穗期 开花期 灌浆初期 灌浆中期 灌浆后期 最适温度时 10 ℃时 40 ℃时 2.28 1.83 1.64 2.00 1.51 1.49 1.94 1.07 1.41 1.96 1.21 1.55 1.26 0.85 0.90 0.93 0.44 0.56 0.54 0.28 0.30 2.3 老芒麦与羊草、冰草、大针茅光合生态特性的比较 从表7可以看出，老芒麦与羊草和冰草比较，其光饱和点、光补偿点、最适温度幅度均小于后二种植物；光饱和点时的光能利用效率显著地大于后二者；光饱和光合速率、高温补偿点和 适宜温度幅度，高 于羊草，低于冰草；温度饱和点低于羊草，与冰草相近。 表 7 老芒麦与羊草、冰草、大针茅光合生态特性的比较 项目 老芒麦 羊草 冰草 光饱和光合速率 （ μ mol CO 2 · m -2 · s -1 ） 光饱和点 （ μ mol · m -2 · s -1 ） 光补偿点 （ μ mol · m -2 · s -1 ） 最适温度幅度 （℃） 适宜温度幅度（℃） 温度饱和度 （℃） 高温补偿点 （℃） 光饱和点时的光能利用效率（ % ） 25 1100 14 4 15 20 61 2.28 21 1710 21 6 11 25 59 1.23 28 1750 20 10 18 19 63 1.60 备注：测定期间为营养期。 （测定者：杜占池 杨宗贵）
个人分类: 植物光合生理生态|4377 次阅读|0 个评论
防止果树叶片早衰早落
yhqsd 2012-10-8 10:44
叶片是光合作用的主要器官，秋季气候条件适宜，叶片完全成熟，叶片光合速率最高。但由于营养不良、树冠郁闭、干旱、积涝、药害、肥害、负荷过大、病虫害等原因，果树叶片早衰早落、看上去“满树果实”的现象常常出现。这种现象会导致果树同化功能下降，树体营养贮备降低，使来年果树萌芽、开花、坐果和幼果发育受到极大影响，因此，需要加强果园管理，防止叶片早衰早落，具体措施如下： （ 1 ）改善根际环境，养好根系 “叶靠根养，养叶先养根”。防止早期落叶，首先是加强土肥水管理，改善根际生态环境，提高园内土壤有机质的含量，改善土壤通透性和理化性状，进而促进根系养分吸收，提高树体营养水平，培养健壮树体；同时实行配方施肥，忌偏施氮肥，增施磷钾肥和微量元素，提高光合作用，控制过旺树势，增加树体贮存营养，提高树体抗病虫能力。可结合秋施基肥，深翻土壤，在秋季果实采收后落叶前 ， 及早施入有机肥，施用量可按照每 kg 果施 3~5kg 土杂肥 ， 并混入适量氮、磷肥和微量元素肥 （ 钙、锌、铁肥等）。比如，土杂肥 与硫酸亚铁按 5:1 的比例混合后，沟施于树冠下，覆土灌水，幼树 1-1.5 kg/ 株，大树 2-2.5 kg/ 株，以补充树体中铁的含量。 在搞好土壤改良和增施有机肥的同时，在春梢速长期，当中、短枝顶部 1-3 片叶发生失绿时，分别于 5 月上旬、 5 月中下旬、 6 月上旬，各喷 1 次 0.5% 尿素 +0.3% 硫酸亚铁溶液或黄腐酸二胺铁 200 倍液；也可用 0.1% 硫酸铁和 0.1% 柠檬酸铁 l0ml 左右进行树干注射，用 0.5%-3% 硫酸铁灌注根际土壤。树体 缺镁时，可在春季展叶后，土施硫酸镁 0.5kg / 株；叶片出现缺镁症状时，也可立即喷 0.3% 硫酸镁溶液。树体缺钙可以在谢花后 2-5 周内，叶面喷施氨基酸钙 350 倍液或其他钙肥，间隔 12-14 天，连喷 2-3 次；采果前 40-50 天再喷 1 次。同时， 加强综合管理，合理负载，协调生长与结果的根系。 （ 2 ）合理修剪，增强树势 通过修剪等措施 ， 建立通风透光的树体结构，提高光能利用率。因为通风透光的小气候，能够使树体在遭受外界高温、雨水、高湿等不良环境时，进行自我调节、自我缓解等，从而减轻伤害。修剪时，重点疏剪下垂冗长枝、内膛徒长枝、直立枝、重叠枝、交叉枝、病虫枝、细弱枝，采用提高树干高度，减少大枝数 量及分枝级次，开张骨干枝角度，加大层间距，中心干落头开心等方法，改善果园通风透光条件，增强叶片的光合效能，改善树体营养。 （ 3 ）合理灌排，均衡水分供应 果园应做到小水勤浇，防止大水漫灌，尤其避免在高温时灌大水。低洼处注意排水，防止积水。雨后或灌水后，要及时划锄松土，保持土壤上虚下实。上部疏松，有利于通气、渗水和养分的分解；下层土壤略紧，能保水保肥。 （ 4 ）防治好病虫害 褐斑病、灰斑病、轮纹病是引起早期落叶的主要病害，这几种病都是由真菌引起的， 7-8 月份是这几种病菌的盛发期。防治这些病害，需 及时清除园内的枯枝、落叶、杂草，刮除翘皮，并集中烧毁或深埋，以减少病虫源，压低病虫源密度。对早期落叶病，在萌芽期喷布 5 波美度石硫合剂，铲除初次侵染菌源； 5 月下旬至 8 月下旬，交替喷施石硫合剂、石灰倍量式波尔多、多菌灵 等 ，每隔 20 天左右喷 1 次。对于因根部病害引起的早期落叶，可以在秋季结合扩穴施肥时，向树盘或树穴施用石硫合剂、多菌灵或哈茨木霉菌等药剂。 （ 5 ）防止药害或肥害 根据病、虫的耐药性，结合农药的性质，正确选择农药，严格按说明书配制和使用农药，不可随意加大浓度和用量；施药时避开大风、高温、高湿、阴雨天气。如果遇到药害，要暂停用药，运用喷清水冲洗，喷施中和缓解药物，追施速效肥料，使用植物生长调节剂，加强树体管理等方法，缓解受害程度，减少损失。施用的有机肥要经过充分腐熟分解；化肥施肥量不要过大、过于集中；叶面喷肥浓度不要过高，要避开高温时间喷肥等。
4854 次阅读|0 个评论
棉铃光合作用
热度 1 gaojianguo 2012-9-30 13:23
棉铃光合作用
叶片是进行光合作用的主要场所，但一些非叶器官在物质同化的过程中也扮演着重要的作用，如何知道这些非叶器官对光合的贡献大小呢？石河子大学的研究人员 Hu 等以棉花为研究对象，采用生化手段揭示了棉花的苞叶、蒴果、茎以及棉铃和叶片在不同生长发育期对光合能力、产物同化的贡献，论文“ Important photosynthetic contribution from the non-foliar green organs in cotton at the late growth stage ”已经发表在 Planta 上，这项研究使我们更加直观地认识了非叶光合器官的生理生态意义。 他们首先测定了叶、苞叶和蒴果的含氮量，发现它们之间是有显著性差异的，这是造成非叶光合器官光合能力不同的生化基础；接着他们发现随着生长期的延长，从盛花期到盛铃期，茎和棉铃在整株的面积比例越来越大，部分是由盛铃期棉花落叶造成的；而这些非叶光合器官的 O 2 同化率和光合酶的活性随着生长期的延长，呈现越来越活跃的趋势，特别是蒴果的增幅最大；可溶性蛋白以及叶绿素含量的变化趋势相似；最后，作者统计了棉铃数量、种子重量等参数的差异，发现那些棉铃遮光处理的植株与对照组相比是普遍偏小的，棉铃遮光处理减少了棉铃重量的 24.1% 和种子重量的 35.9% ，即棉铃的受光情况将严重影响棉花产量，而这也具有一定的实际意义。 那么，棉花在盛铃期落叶的行为看上去就比较伟大了，如果那时的棉花还有大量的叶片遮挡棉铃，这种行为可能会影响下一代的繁殖，这好像也是一种植物生长的平衡策略。如果下一步能深入研究一下盛铃期落叶对繁殖成功的影响将会使我们对植物的主动调控能力有更多的认识。棉花落叶也可能是植株分配更多的水分用于保障繁殖成功引起的，此时的棉铃“风好水好”，自然也能独立地进行关键的生命活动了。
个人分类: 生活点滴3|4628 次阅读|2 个评论
动物也能进行光合作用吗？——蚜虫被发现是可以进行光合作用的
荒月 2012-9-14 09:35
昨晚导师的课题迎新会上，导师首先给大家讲了这个故事，今天上网一查，就发现了这篇发表在自然网站的Scientific Reports 上的原始论文： http://www.nature.com/srep/2012/120816/srep00579/full/srep00579.html http://www.nature.com/srep/2012/120816/srep00579/pdf/srep00579.pdf 我们以前就知道蚜虫可以合成胡萝卜素，但该论文证明了这些蚜虫自己合成的胡萝卜素可以诱导光电子传导和合成ATP（腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷，在植物的叶绿体中通过光合作用合成）。通俗的讲就是蚜虫自己合成的的类胡萝卜素能吸收太阳光中的能量，并把它传送給负责能量生产的细胞组织，并合成能量物质ATP。虽然这在绿色植物中很常见，但在动物中，这种现象是第一次发现。 这是大千世界，无奇不有。自然界什么例外看来都有可能发生。 图片来源： http://www.wired.com/images_blogs/wiredscience/2012/08/green-pea-aphid-plos-biology.jpg
个人分类: 昆虫轶闻|5309 次阅读|0 个评论
[转载]新研究发现昆虫体内可能也有光合作用
crossludo 2012-8-19 20:27
新研究发现昆虫体内可能也有光合作用 　　伦敦8月18日电在人们印象中，光合作用总是与植物联系在一起，但英国期刊《科学报道》登载的一份报告说，法国研究人员发现蚜虫或许也能从光线中获取能量，这是首次有证据显示昆虫体内可能也存在光合作用。 　　此前有研究发现， 蚜虫是已知唯一能自己合成类胡萝卜素的动物 。植物的类胡萝卜素会像叶绿素那样进行光合作用，在动物体内则有帮助调节免疫系统等功能，但蚜虫以外的其他动物需从食物中获取类胡萝卜素。 　　由于类胡萝卜素是一种色素，所以蚜虫体内类胡萝卜素含量的多少可以改变其外表颜色。根据生存环境的不同，蚜虫外表有多种颜色，其中绿色蚜虫体内的类胡萝卜素含量最多，橙色蚜虫体内的类胡萝卜素含量中等，而白色蚜虫体内几乎不含类胡萝卜素。 　　研究人员观察发现，在有光线的情况下，与白色蚜虫相比，绿色蚜虫体内三磷酸腺苷的含量要高得多。三磷酸腺苷是一种可以储存和传递能量的分子。研究人员还发现，橙色蚜虫体内生成的三磷酸腺苷在有光环境中会增多，在黑暗环境下会降低。 　　研究人员提纯了蚜虫体内的类胡萝卜素， 确认它具有吸收光能量的功能 。综合这些线索，研究人员认为蚜虫或许也能进行光合作用，直接从光线中获取能量。 　　但研究人员也承认，目前的新发现只是提出了一种可能，需要更多的研究来确认蚜虫究竟是否能进行光合作用，如能确认将是对光合作用所适用范围的重要突破。
个人分类: 趣味科技|2018 次阅读|0 个评论
[转载]旧闻：科学家发现能进行光合作用的脊椎动物
oryzameng 2012-8-8 10:30
长久以来，科学家们一直认为只有植物、藻类、一些细菌以及很少的无脊椎动物能通过光合作用直接从阳光中获取能量。现在，据著名的《PNAS》杂志报道，科学家首次发现了一种能进行光合作用的脊柱动物。 这种不可思议的动物实际上是一种非常常见的斑点钝口螈（spotted salamander）。具有讽刺意味的是，其实科研工作者对斑点钝口螈一点都不陌生，而且还知道该动物的胚胎和能进行光合作用的藻类有共生关系。然而，这种共生关系一直被认为是外在的，也就是说藻类和斑点钝口螈分别独立工作，然后平等的相互交换产物。 事实证明，科研工作者先前并没有进行足够细致的观察。来自达尔豪斯大学的科学家赖安•科内尔（Ryan Kerney）在研究一批斑点钝口螈的胚胎时发现了与传统的认知不一样的东西——从斑点钝口螈细胞内部发出了明亮的绿色光芒。绿色通常表明叶绿素的存在，它是一种吸收光的能进行光合作用的绿色色素。科内尔还获得了孵化前的斑点钝口螈胚胎的长时间曝光的荧光影像。在经过使用透射电子显微镜（TEM）观察之后，他确认了自己的猜想——那是生长在斑点钝口螈细胞之内的藻类共生体。 实际上，这种藻类共生体经常在线粒体（mitochondria）周边被发现，线粒体是负责为细胞产生能量的一种细胞器。因此，看起来线粒体能够直接从藻类获得氧气和碳水化合物，这正是藻类进行光合作用的产物。 这个科学发现令人惊奇的原因是，所有已知的脊椎动物都有着完善的免疫系统，它能够摧毁进入细胞内的外来非己生物物质。关于斑点钝口螈细胞内的藻类是如何绕开这种内在的生物防御机制的仍然是个谜团。 更有趣的是，科内尔还发现藻类存在于成年雌性斑点钝口螈的输卵管内，输卵管是胚囊形成的地方。这意味着，很可能共生的藻类是通过生殖过程从母亲传给后代的。 来自加州大学伯克利分校的大卫•威克（David Wake）在听取了科内尔的演讲报告之后说：“我怀疑藻类是否能够进入斑点钝口螈的生殖细胞，这将真正挑战传统的知识体系。” 虽然这是第一次在脊椎动物细胞内发现能进行光合作用的微生物，但是这向我们提出了一个开放性的问题——是否其它的动物也拥有着类似的性状？ 发育生物学家丹尼尔•巴克霍尔兹（Daniel Buchholz）说：“我认为只要人们开始认真寻找，我们或许将会发现更多的这种事例。” 原文下载： 6497.full.pdf
1331 次阅读|0 个评论
从好奇号看改造火星的思路
热度 2 gzchengzhi 2012-8-6 23:15
　　这次NASA花费25亿美元发射“好奇号”登陆火星，是否物有所值，当然值得讨论。然而从中似乎可以感觉到美国方面改造火星的思路，这就是逐渐使用原子能的方式来实现。 　　目前火星还不适合人的居住，其中原因包括较低的温度、稀薄的大气等。但是也有好消息，这就是现在已知的资源包括火星上有大量的二氧化碳干冰存在，还有冰冻的水。现在也有证据表明，大约在几十亿年前，火星的环境和地球十分类似。至于火星为何会变成现在这个样子，其中的原因还在探索之中。这应该是人类多次发射火星探测器的重要原因。如果能够将这些问题搞清楚，改造火星的计划也就会变得更高效率。 　　目前最可行的计划是通过增加火星大气中的温室气体的方式来提高火星的温度。如果能够将火星两极以及冻土中的二氧化碳干冰融化，应该可以显著提升火星地表温度。而火星地表温度的提升，则有助于溶解火星上冰冻的水。大气中的二氧化碳加上液态水，构成了适合植物生长的环境。此时从地球上引进快速生长的绿色植物，利用光合作用，就可以获得足够的氧气满足动物生长的需求。整个过程一旦实现起来，所需时间并不会太长的。一旦火星中有了足够的二氧化碳和液态水，则只需要几十年的时间，火星上就可以长满绿色植物。 　　在整个改造计划中，如何溶解大量的二氧化碳干冰是难点。通过诸如地球上火力发电厂的方式来排放二氧化碳显然不行。一来火星上缺少氧气；二来现在火星上基本不可能存在地球上各种化石燃料。因此要溶解这些干冰就只能采用原子能的方法了。比如通过精确控制，尝试在火星两极利用持续的核反应过程，引起局部升温，然而产生连锁效应，使得这些干冰朝着不断融化的方向发展，最终就可以顺利实现上述改造方案。 　　从这样的思路来看，好奇号这次采用了核动力，是综合考虑了多方面因素的。除了可以获得更持久的动力、更大的探测器等因素以外。此次好奇号的发射，也可能意味着人类开始尝试将原子能技术应用到改造火星环境的远大目标之中。
个人分类: 研究心得|6186 次阅读|4 个评论
[转载]光觸媒
crossludo 2012-7-29 12:15
1. 光觸媒 光觸媒： 與光有關係的觸媒,在利用光能轉換成化學作用之化學轉換 。在此是以（ TiO2 ）二氧化鈦當作觸媒的元件, TiO2本身是一種 催化劑 ,具備 很強的氧化能力 ,穩定性高。TiO2光觸媒之強力分解力，比用於水處理之氯氣、過氧化氧、臭氨等還要強幾乎可分解任何物質、而且極為安全。 　TiO2在吸收太陽光中紫外線;或照明燈中的紫外線光;後所產生類似植物光合作用原理（稱為 光觸媒作用 ）,其強大的氧化作用可以輕鬆分解空氣中的細菌（有效除去病菌：大腸菌、黃葡萄球菌、綠膿菌… 抑制病原的傳播 ,如腸病毒、流行性感冒等 濾過性病毒傳染源 ） 臭味 （煙臭、腥臭、廁所臭味、寵物臭味,可徹底去除）殺菌率達99.997%!! ;日本厚生省(相當我國的衛生署)指定檢驗機關實驗證明確實有效。在日本（TiO2）二氧化鈦已經被廣泛應用且, 所開發研究的光觸媒相關產品,普及率最高、應用層面最廣。 2.光觸媒特性 光觸媒最主要的特性有三： 殺菌、除臭、防霉 。 (一)殺菌:當空氣中的水分子與光觸媒處理過的表面接觸後，經由 紫外線的催化 ，產生很強的氧化作用，可以輕易地將空氣中的細菌分解，其強大的氧化作用可以輕鬆分解空氣中的細菌。 (二)除臭 　在日常生活環境中最主要之臭氣源為存在著 氨氣、硫化氫、甲基硫醇、乙醛 等。TiO2比臭氧、負離子,更具氧化能力；比活性碳有更強的吸附力且具有活性碳所沒有的（ 分解細菌 ）的功能,然而這些物質均可在TiO2光觸媒之存在下，利用一般之日光燈即可予以充分分解。TiO2光觸媒之強力分解力可以 有效分解香煙燃燒中致癌成分物質如硫化氫、二氧化硫 等。 (三)防霉 物體表面發霉是因為 滋生黴菌 的關係，光觸媒本身殺菌的功能可輕易解決這個問題，例如將光觸媒塗裝於保存食物的蓋子或是牆壁,可以讓黴菌無繁殖的空間，自然食物保存的時間可以延長防止腸胃疾病發生，減少中毒機會，牆壁可常保清潔，防止油污灰塵附著清洗方便。 光觸媒可應用之場所範圍： 1. 居家場所 ：家中客、餐廳、房間、廚房等……天花板及牆壁。 2. 公共場所 ：醫院、學校、幼稚園、餐廳、公共浴廁、KTV等相關營業場所。若在公共場所施予光觸媒塗裝處理，可以將細菌性疾病傳染的機率降到最低。 3. 交通工具 ：計程車、自用小客車、貨卡車、火車、公車、大眾捷運交通車輛及飛機。大眾捷運交通工具是最封閉的小型公共場所，所以 累積的病毒細菌數是最多的 ，政府交通單位應該正式這個問題並徹底改善交通工具內的空氣品質。 4.光觸媒學術報告 鈦金屬Ti,原子序 22 ,原子量 48.87 ,過渡金屬元素,在20℃×1大氣壓下為固體,Ti之地球 元素存在度排行第十位 。而在金屬元素之存在度僅次於鋁、鐵、Ti、其蘊藏量 排行為第四位 。係以 二氧化鈦 形態存在地球之各處、其蘊藏量有數十億噸單位之譜。 但是直到1948年才正式工業化大量生產。Ti金屬之特徵Ti為 銀灰色之金屬 。 為質輕而堅的金屬 。而且其耐蝕性高、耐酸性比鐵高,在海洋中之耐蝕性僅次於白金。與其他金屬比較、 導電性及導熱性比較低 。係以一種 耐蝕性優異且質輕、強度 等特性均衡為特徵之金屬。其融點在主要金屬中最高為1,688度熱傳導率為銅之4.4﹪、電阻為鐵之五倍以上。為何有如此多優點之金屬而不去利用,歸咎其原因是因Ti金屬元素與氧之結合力比鋁金屬更強而難以精練成金屬之故。Ti元素與氧之結合力甚強,因此必須先置換成氧化物再提取Ti。Ti金屬最被重視的特質為耐蝕性。這是因為與氧結合強度高之故。Ti金屬會在表面結合成極薄之氧化膜。 5.光觸媒概述與原理及功用 NETS COAT奈米光觸媒的主成分為 奈米級(8-10奈米)二氧化鈦(TiO2)之中性水溶液 ，係藉由光(400nm以下紫外線)所產生的能量來把觸發附近的氧氣和水分子轉化成極具活性的 O-、O2-、O3- (超氧離子)和氫氧自由基(OH-)，以分解對人體或環境有害的有機物質(病毒、細菌、臭味、油污垢、塵蹣)，而將其轉化為二氧化碳(CO2)和水(H2O)，此即是光觸媒作用。 當陽光或燈光中的紫外線照射在NETS COAT光觸媒上時，其內部的在價電子帶便會產生帶 正電的正孔 (hole)，而 形成一組電子- 電洞對 ，藉以產生氧化力極強之自由基，來達到殺菌和除污的作用。 超強的 氧化能力 ，能造成細胞死亡，降低病毒的活性，並且補捉、分解空氣中的浮� 了5%。而ARC-FLASH光觸媒卻進一步可以利用波長 400nm~800nm的可見光 ，如此一來，能源就可隨手取得，效能也可完全發揮到 85%以上 。ARC-FLASH光觸媒能從源頭分解這些不利環境的 有機物質，有效殺菌，徹底除臭 。 7.奈米光觸媒效果 殺菌、抑菌 : 超強的氧化能力，能造成細胞死亡，降低病毒的活性，並且補捉、分解空氣中的浮� 作用，2002年美國科學人雜誌的報導便指出，一般二氧化鈦的結晶在20~250nm之間，如此大的粒徑無法發揮效用，二氧化鈦的粒徑必須要小到 7nm以下 才能產生效果。這是因為在三維空間裡，粒徑愈小的粒子愈能夠緊密地排列， 比表面積（體積與表面積的比例）增大 ，反應便相對較為靈敏。光觸媒原料中的二氧化鈦平均粒徑到達能夠取得相當大的比表面積，其單位效能自然較高。 10.奈米光觸媒二氧化鈦含量 光觸媒品質的良窳（即 產品效能 ），很大部分取決於原料中 二氧化鈦含量的多寡 ，二氧化鈦含量愈高，光觸媒品質愈佳，反應效能愈強。光觸媒原料中二氧化鈦的含量高達，相較於其它二氧化鈦含量多在以下的光觸媒，效能自然不可等量齊觀。二氧化鈦是 白色的固體 ，因此可以從外觀上來判斷光觸媒原料中二氧化鈦的含量。當原料中二氧化鈦含量很低時，外觀是水狀、透明的，但是若含量高於以上，原料便會呈現白色，含量愈高，原料就愈濃稠，光觸媒原料中的二氧化鈦含量高達，原料看起來像 濃稠的牛奶 。
个人分类: 趣味科技|1605 次阅读|0 个评论
色彩的互补与植物为什么一般是绿色？
热度 1 duke01361 2012-7-20 09:25
依据颜色的互补色理论，如果两种单色光或复色光以合适的比例加以混合，如果能够产生白色觉，那么彼此之间即为“互补”色。比如，红色为波长为 656mn 的光被人视觉感知的颜色，能够和位于492nm波长的的青色光互为补色，呈白色。还比如，品红色与绿色，黄色与蓝色等均可以作为彼此的互补色。 除此之外，还存在着“补色相减”和“补色并列”的现象，分别为当将两种补色互混，在白色背景下呈现“黑色”，以及当将两种补色并列时，引发较为强烈对比的色觉。 　物体表现出的视觉颜色主要决定于该物体外来光线的吸收和反射，因此，一种物体的颜色与背景中所存在的光线有关。生活中，我们习惯上把一种物体在白天光照下所能见到的颜色称为该物体的颜色。假如将白天的光线照射在黄-蓝物体的表面时．因为黄颜料能把白光中的红、橙、黄和绿四种色光反射回去，而蓝色却吸收白光中的红、橙和黄光，结果该物体呈现出“绿色” 自然界之中的大部分植物的叶子表现出“绿色”，植物学家通常归因于与植物叶子中的叶绿体内所含有的“叶绿素”有关。 我们知道，叶绿素与植物进行光和作用密切有关。因此，可以推测，叶绿素这种感光体实际上吸收了太阳光中的红、橙和黄光，而唯独把“绿色”“反射”了出去！于是，我们看到了“绿色植物”。 但是，植物可以开出各种颜色的“花”，一般情况下，这些花的颜色却很少是绿色。植物学家认为这与花瓣细胞中的“花青甙”有关。 绿色植物通常把自己的“生殖”器官掩藏在五颜六色花瓣中，目的却是为了吸引昆虫和其他能够有颜色感觉的动物。 太阳光中的红、橙和黄光的波长一般在420nm（黄）以上，这些均属于长波长的光线，绿色植物能够吸收长波长的光线用于光和作用。 但不用紫外线这些可能有损其遗传物质DNA的短波光线。这真的是很神奇的事情。
个人分类: Life a Bit|5785 次阅读|1 个评论
【科学美国人】植物思考吗？
热度 3 quantumuniverse 2012-6-21 09:40
植物如何感知？这是一本引人入胜的新书最核心的问题，这本书名为《一株植物所知道的》，作者是丹尼尔.Chamovitz，他是特拉维夫大学吗哪植物科学中心的总监。他认为，一株植物可以看到、闻到和感觉到。当受到围攻的时候，它会建立防卫，并警告它的邻居路上有麻烦。甚至可以说，植物拥有记忆。但是这是否可以说植物会思考——或者说某人可以谈论花卉的“神经系统科学”？Chamovitz回答了来自《心智问题》编辑加雷斯.库克的问题。 1.你第一次是如何对这个课题感兴趣的？ 我对植物和人类意识对比的兴趣，肇始于1990年代中期，当时我在耶鲁大学邓兴旺实验室，作为一名年轻的博士后研究生。我的兴趣在于研究一种生物学过程，而它是植物所特有的，与人体生物学无关（很可能是作为一种对我家庭中的其它六位“博士”的回应，他们全都是医生）。因此我被驱使着去研究植物是如何感知光，以控制它们的生长。 有一件事人们已经知道了数十年，植物对光的利用不仅在于光合作用，而且把它作为一个改变植物生长方式的信号。在我的研究中，我发现了一种植物必需的独特的基因组，它决定植物是在阳光下，还是在阴暗里。当我们报告了我们的发现，看起来这些基因是植物王国所独有的，这很好的满足我的愿望，避免了任何和人体生物学有关的东西。但是非常令我惊讶，而且让我大失所望，后来我发现相似的基因组同样是人体DNA的一部分。 这就导致了一个显而易见的课题，及这些似乎是“植物特有”的基因在人体中做什么？很多年后，如今我们知道这些相似基因在动物中非常重要，它作用于细胞分裂的时间选择，神经轴突生长，以及免疫系统功能正常。 但是最令人惊讶的，这些基因同样控制动物们对光的反应。尽管我们像植物一样，不会改变对光的反应的形式，但是我们受到体内的时钟水平的影响。我们内部的生物钟让我们保持一个24小时的生活节奏，这就是为什么当我们绕着地球飞了一半的时候，我们会有时差反应。但是这个钟可以被光重置。数年前，我在纽约大学和贾斯汀.布劳合作，展示了突变的果蝇因为缺少这些基因而失去了感知光的能力。换句话说，如果我们改变它们的生物钟，它们依然会保持时差反应。 2.人们对于植物的想法应该改变，对此你怎么看？ 人们应该意识到植物是复杂的生命体，它们是丰富的、有感知的生命。你知道，我们中的很多人把植物当作是无生命的对象，跟石头没有多少区别。甚至许多人用丝绸花替代真花，或者用人工的圣诞树当作活的，这些事实就是我们对待植物的典型的方式。我知道不会有任何人用玩具狗来取代真的狗。 但是，如果我们意识到，所有植物生物学都归结于 “根” 对植物的进化约束，“根”使植物无法移动，这时我们可以开始领悟一直蕴含于叶子和花中的极其复杂的生物学。根是一种巨大的进化约束。它意味着植物不能摆脱恶劣的环境，不能因为寻找食物或者配偶而移动。因此植物必须发展了非常灵敏的、复杂的感知机能，以使它们在瞬息万变的环境中生存下去。我的意思是，如果你感到饥饿或者口渴，你可以走到最近的酒吧。如果你热了，你可以向北移动，如果你正在寻找伴侣，你可以出去参加聚会。但是植物是不能动的。它们需要看到它们的食物在那里。它们需要感觉天气，而且它们需要嗅到危险。然后它们需要能够综合所有这些动态的、变化的信息。我们没有看到植物移动，但这并不意味着在植物体中没有一个丰富的、动态的世界。 3.你说植物拥有嗅觉？ 当然。但是为了回答这个问题，我们必须为我们自己定义什么是“嗅觉”。当我们闻东西的时候，我们感觉到一种混合在空气中的挥发性化学物质，然后以某种方式对这种气味作出反应。在植物界，最明显的例证，就是在水果成熟期间所发生的事情。你也许听说过，如果你把一个成熟的水果和一个不成熟的水果放在同一个袋子里，那个不成熟的水果会熟的更快。之所以发生这种事，是因为成熟的水果向空气中释放一种催熟信息素，未成熟的水果闻到它，然后开始自我催熟。这不仅仅发生在我们的厨房里，而是甚至主要是发生在大自然中。当一个水果开始成熟，它释放一种被称为乙烯的激素，这种激素被邻近的水果感觉到，直到整棵树和整个果园以基本同步的方式成熟。 植物利用嗅觉的另一个例子是，一种名为菟丝子的寄生植物如何找到食物。菟丝子不能进行光合作用，所以只能依靠其他植物生存。它寻找寄主的方法就是依靠嗅觉。一株菟丝子可以检测由邻近的植物释放在空气中的微量的化学物质，并且将挑选感觉最合口味的。在一次典型的试验中，科学家向我们展示，菟丝子喜欢番茄胜过小麦，因为它更喜欢番茄的味道。 3B.那么听觉呢？ 这稍微有些棘手，因为大量的研究支持这样的观点，即植物拥有视觉、嗅觉、味觉和触觉，但是对于植物听觉能力的支持，则间接的来自于一些道听途说的轶闻，比如音乐可以影响植物的生长。我们中很多人听到过这样的故事，植物在播放古典乐的房间里生长茂盛。然而，说得委婉些，很多关于音乐和植物的研究，都不是由植根于科学方法的研究员实施的。不用惊讶，在大多数试验中，正如试验者乐于见到的，植物在音乐中生机勃勃。 按照一种进化的观点，也许植物真的不需要听觉。听觉给人类和其他动物建立的进化优势是作为一种方法，让我们的身体提醒我们潜在的危险状况。我们早期的人类祖先，可以听到危险的肉食动物迫近他们时穿越森林的声音，正如我们今天可以听到疾驰而来的汽车的马达声。听觉还使个人之间、动物之间能够快速的交流。大象可以在轰鸣的环境中和长途跋涉的旅行中，通过发出次声波找到数英里之外的同伴。丢失在大洋里的海豚幼崽，可以发出悲伤的啾啾声，让海豚妈妈找到它。这些情形的共同点，就是声音可以使信息的交流和响应更快速，它经常被用到——从火灾中逃生，躲避袭击，找到家庭。 但是植物是生根的、固定的生物体。它们可以向太阳生长，向大地俯身，但是它们不能逃跑。它们不能逃离。它们不能随季节迁移。如上所说，我们在我们的世界中使用的声音信号，对植物来说是无关的。 尽管如此，我必须就我所听到的来指出，一些最近的研究显示，植物也许可以对声音作出回应。不是对音乐，那对一株植物来说是不相关的，而是对某种振动。拭目以待，这会非常有趣。 4.植物之间相互交流吗？ 就基本层面来说，是的。但是我猜想它关乎于你是如何定义交流的。毫无疑问，植物对来自其它植物的提醒作出回应。比如，如果一棵枫树收到臭虫的攻击，它会向空气中释放一种信息素，使邻近的枫树检测到。这使得收到信息素的枫树开始产生化学物质，帮助它竭力避免即将发生的臭虫攻击。因此从表面判断，这是毫无疑问的交流。 但是我认为我们依然必须问到动机的问题（我们在描述植物的时候是否可以使用这个词，请迁就我一下）。是否树们之间的交流，意味着受攻击的树提醒它周围的树？或者它可以做的更巧妙吗？也许另一个说法更有意义，即受到攻击的树枝，正在和同一棵树上其它的树枝交流，以做出自救的努力，而此时那些邻近的树，恰好窃取到这种信号并从中获益。 关于这种类型的交流，还有其他的例证。比如，一项最近的研究显示，植物之间的交流，还可以通过在根与根之间传递信号。在这种情况下，“讲话”的植物已经受到了干旱的威胁，而它“告诉”邻居做好准备以应对缺水。我们知道这种信号通过根传递，是因为这从来没有发生在两个相邻的罐养的植物之间。它们必须拥有相邻的根。 5.植物拥有记忆吗？ 很确定的，植物拥有多种不同形式的记忆，和人一样。它们拥有短期记忆、免疫记忆甚至隔代记忆！我知道，对于有些人来说这是一种难以理解的观念，但是如果记忆承担的功能包括形成记忆（编码信息），保留记忆（存储信息），唤醒记忆（取回信息），那么植物的确记得住。比如，捕蝇草为了闭合，需要其叶子上的感觉毛有两根被昆虫触碰到，所以它得记住第一根感觉毛已经被触碰了。但是这个过程只持续约20秒，然后它忘记了（关于捕蝇草，请查阅百度百科 http://baike.baidu.com/view/54170.htm ）。 小麦的幼苗在开始成长孕育果实之前，要记得它们已经度过了冬天。一些承受恶劣条件的植物遗传给子孙的，是对同样恶劣条件的更强的抵抗力。最近的研究显示，一种类型的跨代记忆同样存在于动物中。存在于捕蝇草中的短期记忆是基于电流的，很像神经活动，而长期记忆是基于实验胚胎学——基因活性的改变，不需要DNA编码的改变，依然可以从父辈传给下一代。 6.那么，你会说植物“思考”吗？ 不，我不会，这只是我自己的想法。对我来说，想法和信息处理是两个不同的概念。既然这真的已经接近哲学，因此在这里我必须慎重一些，但是我认为决心明确的想法需要一颗高度发达的脑袋和自知意识，或者至少是认知意识（自知意识：我们想到自己记住了某物时头脑中产生的这种意识状态是自知意识，它是回忆的，并具有具体情节）。在我的理解中，植物展示的失知意识的元素中不包括思考的能力（失知意识：语义性和非回忆性的）。即便从一株植物因为没有大脑而感觉不到疼痛，我就不认为它会思考。 7.在植物的行为和人类大脑的行为之间，你看到任何相似之处吗？可以建立不包括神经元的植物神经系统科学吗？ 首先，尽管冒着被最亲近的朋友嘲笑的风险吗，我认为植物神经生物学作为学术术语是可笑之极的，就好像我们说人体花卉生物学。植物没有神经，正如人类不长鲜花。 但是，你无需为了细胞之间的通讯以及信息的存储和处理而拥有神经细胞。即便在动物中，也不是所有的信息都由大脑处理或存储。大脑在复杂动物的高阶处理过程中占主导地位，而不是在简单动物中。植物的不同部分通过细胞、生理和环境状态相互沟通。比如，根的生长依赖于一种荷尔蒙激素信号，它由嫩枝的顶端产生并传输到正在生长的根。叶子传送信号至嫩芽的顶端，告诉它们开始形成花朵。诸如此类，如果你真的想做一些类比，植物整体就类似于大脑。尽管植物没有神经细胞，但是植物产生刺激神经组织的化学物质，并能被其影响。比如，谷氨酸受体是一种人类大脑必须的神经受体，它用于记忆的形成和学习。虽然植物没有神经细胞，但它们的确拥有谷氨酸受体，而且让人匪夷所思的是，抑制人体谷氨酸受体的药物，对植物同样有效。通过研究植物体中的这些蛋白质，科学家们已经知道谷氨酸受体如何在细胞的通讯中起到媒介的作用。因此，也许这个问题应该和神经生物学家讨论，是否可以建立一门人体植物学，不包括花儿。 达尔文，伟大的植物研究者之一，提出了如今名为“根大脑”的假说。达尔文提出，根的顶端——我们称之为分裂组织的部分，扮演着低等动物大脑的角色，接受感觉输入并指挥行动。一些现代研究团体依然在延续这条研究路线。 偷听植物说话的 科学家 撰文／艾利森·阿博特（Alison Abbott） 伊恩·鲍德温18 年前发现，被虫咬过的树叶会释放 化学 物质 ，通知邻近的树木及时防范昆虫侵袭。当时，许多植物学家对植物“说话”嗤之以鼻。如今，越来越多植物学家在实验室里证实了这一发现，鲍德温却走出了实验室，在 美国 犹他州广袤的旷野上种起了烟叶。他相信，只有在自然环境中，植物的对话才能发挥真正的作用。 2011年第2期《环球科学》
个人分类: 量子生物学|2937 次阅读|3 个评论
【Nature-2011】量子生物学的黎明
热度 1 quantumuniverse 2012-6-12 21:43
量子生物学的黎明 来源： 272 | NATURE | VOL 474 | 16 JUNE 2011 原文： The dawn of Quantum Biology 作者：菲利普·鲍尔 (Philip Bal1) 译者：庞玮 一门新的学科——量子生物学呼之欲出。想要将量子计算机从构想变成现实，或者提高太阳能电池的转化效率，成败的关键可能并不在物理实验室，而在错综复杂的自然界中。 乍看起来，量子效应和生物组织似乎是风马牛不相及的两个世界，前者通常只现身于纳米尺度之下。还得有高度真空、超级低温和严密控制的实验室助阵，而后者则跻身于宏观世界。那里温暖、嘈杂而全无秩序。像“纠缠” (coherence ），指量子体系每一部分的波动性质都保持步调一致 ) 这样的量子效应在喧闹的细胞中只能维持百万分之一秒。 曾几何时，每个人都是如此认为。但近年的一些发现似乎表明，自然界还留有几手，并逃过了所有物理学家的法眼：量子纠缠过程也许遍布我们周围的世界。己知及有待证实的例子不一而足，从鸟类利用地磁场导航一直延伸到光合作用的内部机制，而正是通过光合作用，植物和细菌才能将阳光、二氧化碳和水变成有机物质，这堪称地球上最重要的生物化学反应。 美国麻省理工大学的物理学家塞斯·劳埃德 (Seth Uoyd) 说，生物学中有一种习惯，如果一个理论能解决问题那就用它，如果“量子把戏”有效，生物学家会说那“就用量子把戏吧”。 一些研究者甚至已经开始谈及一门新学科的诞生，并取名为量子生物学 (quantum biology) 。这门学科的要义是，即使量子效应很罕见，它也是自然运作方式的重要组成之一。实验物理学家则对它在技术上的应用更为关注，劳埃德说：“我们希望能从这些生物体系高得惊人的运转效率中获得一些启发。”假如能更深入了解量子效应如何在生物组织中长时间维持，将有助于研究人员将缥缈的量子计算机变成现实，“还有可能帮助我们制造出更好的能量存储设备或更好的太阳能电池”。 能量向导 研究人员早就怀疑光合作用有非同寻常之处。光由光子构成，在光合作用中阳光将大量光子倾泻到植物叶片或光合细菌上，而叶片和光合细菌的每个细胞中都聚集着叶绿素或其他色素分子，这些色素分子充当着吸收光子的“天线”。一旦光子的能量被吸收．就会立刻被汇聚入井井有条的能量流中，来到细胞中的光合反应中心，在那里，它们能以最高效率参与到将二氧化碳合成糖的反应过程中。 早在 20 世纪 30 年代，科学家就认识到上述过程必须用量子力学来描述。在量子力学中，诸如电子这样的粒子都具有波动性。因此当光子撞击到一个“天线分子”上时，电子吸收光子能量被激发成激子 (exGon) ，然后以波的方式一圈圈向四周散开，就好比将石头扔进水中激起的阵阵涟漪。激子波越过一个个分子最终到达反应中心．现在的问题是激子如何通过中间这段旅程，究竟是如人们最初所猜测的那样不定向地随机跳跃呢，还是以更有组织的方式奔向终点。一些现代研究者指出，单个激子波可能扩展到比一个分子还大，因此来自不同天线分子的激子间可以产生量子相干 (coherent) ，通过这种方式激子保持步调一致，合为一体。 如果是这样，便会有一个令人震惊的结果，因为相干的量子波能同时处于两种甚至更多状态，所以相干的激子可以同时经由两条或数条路径穿越天线分子的“密林”。实际上，它们大可同时试探所有可能的路线组合，然后自动选择最为快捷的一种作为行动指南。 4 年前，美国加利福尼亚大学伯克利分校的化学家格拉汉姆弗莱明 (Graham Fleming) 领导的两个小组通过实验来验证上述假设。其中一个小组用一连串非常短的激光脉冲来探测绿 色硫磺细菌 Chlorobim tepidiium 的光合作用体。实验中，他们将样本用液氮冷却到 77 开尔文，最终结果清楚地显示出激子处于相干态。第二组对紫色细菌 (Rhodobacter sphaeroides) 进行了类似实验，结果观察到与第一组类似的结果，而且这种电子相干一直到 180 开尔文仍保持运作。 20 1 0 年，第一组研究人员发表了室温下细菌复合体中存在量子相干的证据，这表明相干不再是低温实验室中的人造奇葩，而可能是实际光合作用中的重要环节。与此同时，由加拿大多伦多大学的化学家格里高利斯科尔斯 (Gregory Scholes) 领导的一个研究小组也发现了室温下的相干效应，但不是在细菌中而是在隐藻中，这种海藻在进化亲缘性上更接近植物和动物。而且所含的吸收光的化学基团与细菌完全不同。 但量子纠缠必须持续足够长时间才能有助于光合作用，这一点是如何做到的 ? 此前大多数物理学家都认为在室温下，细胞中混乱的分子随机扰动会瞬间破坏任何纠缠态。 劳埃德和同事对此进行了计算机模拟，模拟结果出人意料：环境中的随机噪声可能反过来增强光合作用中能量传递的效率。而并不像此前预想的那样起到阻碍作用。何以如此呢 ? 原来激子在前往能量中心的路途中有时会受困于某处，模拟表明，此时只需环境噪声的轻微扰动便能让激子脱身，同时由于扰动很轻微，不会破坏激子的相干状态。如劳埃德所说，总的效果就是“环境噪声解救了激子，让它得以完成使命”。 自然界中并不是只有光合作用中才有量子效应，比如多年前研究者就发现，在某些酶催化反应 (enzyme-catalysed reaction) 中，质子会借由量子隧道效应从一个分子向另一个分子迁移，而无须翻越分子间的能量势垒。另外还有一种引起争议的新嗅觉理论 (theory of olfaction) 认为，气味来自生化感知体对分子振动的感应．当气味分子进入鼻腔，靠近鼻腔中的感知分子时，电子就会在它们之间来回穿越，将两者绑定在一起。 那么诸如此类的现象是否足以支撑起一个全新的学科呢 ? 罗伯特·布兰肯希普 (Robert Blankenship) 对此仍有所怀疑。布兰肯希普是美国圣路易斯华盛顿大学研究光合作用的专家，同时也是上面提到的弗莱明有关绿色硫磺细菌论文的合作者。他说：“我个人觉得．也许在一些情况下，这些效应确实非常重要，比如我们已经了解的那些，但大多数或者起码很多生物体系中并没有这类量子效应存在。”但斯科尔斯却更加乐观，他认为，只要对所谓量子生物学 (quantum biology) 的范围进行合适的界定，“生物学中的确存在某些过程，在量子层次上去解释它们会有助于我们更深入地了解究竟发生了什么”。 量子导航 量子效应还能解释一个长久以来困扰生物学家的谜团，那就是鸟类如何利用地球磁场导航。 此前人们知道．当光照射到鸟的视网膜上时，就会激活磁场感受体，但究竟它是通过什么机制导航的则不清楚。目前对此最靠谱的猜测是：每个照射光子所携带的能量会产生一对自由基 (free radical) 。这是两个具有高度活性的分子，每个都包含一个未配对电子。每个未配对电子都有一个内部角动量，或者叫自旋 (spin) ，自旋可以被外磁场重新导向。两个自由基产生之后就分离开，其中一个的电子自旋主要受到临近原子核磁场的影响，而另一个自由基则远离这些原子，仅受地球磁场的作用，这两个磁场的差异会让自由基对在两个具有不同化学活性的量子态间来回跳跃。 眼下有一种设想认为。当鸟的视网膜细胞处于上述其中一个量子态时“会合成某些化学物质”，而当处于另一个量子态时就没有此类物质合成。“于是该物质的浓度对比就能反映出地球磁场的指向来，”英国牛津大学的物理学家西蒙 . 本杰明 (Simon Benjamin) 解释说。 2008 年进行的一个人工光化学反应实验展示了这种想法的可能性，实验中外磁场强度的确能够影响自由基对的存在时间。 本杰明等进一步提出，单个光子激发出来的两个未配对电子处于所谓的量子纠缠态 (entanglement) ，这是一种特殊的相干态，无论自由基携带的两个电子分离多远，这两个电子的自旋状态始终保持关联。纠缠在室温下通常都极为脆弱，但研究人员的计算结果显示，它在鸟类导航细胞中却至少能持续数十微秒，大大超过目前人工分子体系中的纠缠时间。 此类借助于量子效应的磁感应可能广泛存在，不仅是鸟类，某些昆虫乃至植物都对外磁场有生理反应，比如磁场能减弱蓝光对开花植物拟南芥 (Arabidops~thaliana) 的生长抑制作用，这或许同样可以用上述自由基对机制进行解释。但要找到决定性证据，本杰明说：“我们还需要弄清楚其中起关键作用的分子有哪些，然后在实验室中对它们进行研究。” 潜在应用 对那些依赖光合作用的生物而言。有量子相干的参与似乎更为有利，但这种利用量子效应的能力是通过自然选择进化而来的么？还是说量子相干仅仅是某些分子结构带来的意外的副产品？斯科尔斯的评价是：“对是否进化而来这个问题有很多推测，也有不少误解。”他认为，现在八字还没一撇，“我们不知道光合作用中的这种效应是否自然选择的结果，也不知道有没有不用量子相干的能量输送方式存在．眼下数据还太少，连问题是什么都无法确定”。 斯科尔斯指出，并没有很明显的证据表明自然选择会偏爱相干，“几乎所有光合作用生物大部分时间都在想办法避免被光灼伤，很少会有光照不足的时候，那它们在进化时为什么会冒着生存压力去选择提升光捕获效率呢” ? 弗莱明也同意这种怀疑，他猜测量子相干并非获得性能力，而只是“紧密堆积在一起的色素体在对日光吸收最优化过程中的副产品”。斯科尔斯希望通过比较各种不同的天线分子蛋白— — 它们从进化时间不同的各种隐藻类中分离出来一来对这个问题进行研究。 但弗莱明同时强调，即使生物体系中的量子相干只是一个偶然现象，其结果仍然非同寻常，因为它使得体系对能量分布的偏离变得不敏感，不仅如此，它还“可以形成‘整流型’ (retifier-like) 的单向能量传输，得到最快的能量传输速度，使传输对温度不敏感，可自豳 有些连我也想象不到的效应”。 这些结果并非都局限于理论研究。显然，斯科尔斯说，对生物体系如何实现量子相干的深入理解会“变革我们对光捕获设备的设计思想”。科学家由此可以摸索出更好的技术，建造出比如说光转化效率更高的太阳能电池等等。劳埃德也认为这是“有理由期待的”，不仅如此，他对自己的发现也抱有很大期望，因为在建造光子体系时，往往用量子点 (quantum dot ．纳米尺度的晶体 ) 或光吸收化学基锚定高聚物 (highly branched polymersstudded with light-absorbing chemical groups) 来充当人工天线阵列，此时如能考虑环境噪声的正面效应．将会有助于此类体系的设计搭建。 另一个潜在应用领域是量子计算 (quantum computing) 。该领域的物理学家和工程师长期以来一直希望能实现对量子比特 (qubit) 中所包含的信息进行操控．比如说控制一个电子或原子核自旋的上下取向。量子比特能同时处于两个状态，这就意味着它能同时进行两个计算过程，理论上，这将赋予量子计算机超凡的计算能力，远远超过今天的电脑。但这需要量子比特始终保持相干，不能受到周围环境噪声的干扰，比如周围原子的推推搡搡，这会破坏量子波之间的协同一致。 在某种程度上，生物体系解决了这个挑战．上述光合作用也可以理解成量子相干帮助光子体系完成了一次“最优路径”的量子计算。本杰明最大的兴趣就在于为量子计算和量子信息技术设计实际可用的体系，他认为室温下鸟类的指南针可以对此提供一些指引，“如果能找到鸟类指南针如何保持相干的秘诀，我们或许就有了一些构建量子技术的线索”。从神话时代起。人们就知道师法自然，但自然所知道的远远超出了我们的想象，甚至连在量子力学方面，自然也能指点我们一二。 本文作者 菲利普·鲍尔是居住在伦敦的一位撰稿人。 参考文献 1. Engel, G. S. et al. Nature 446, 782–786 (2007). 2. Lee, H., Cheng, Y.-C. Fleming, G. R. Science 316, 1462–1465 (2007). 3. Panitchayangkoon, G. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 12766–12770 (2010). 4. Collini, E. et al. Nature 463, 644–647 (2010). 5. Mohseni, M., Rebentrost, P., Lloyd, S. Aspuru-Guzik, A. J. Chem. Phys. 129, 174106 (2008). 6. Ball, P. Nature 431, 396–397 (2004). 7. Turin, L. Chem. Senses 21, 773–791 (1996). 8. Ritz, T., Thalau, P., Phillips, J. B., Wiltschko, R. Wiltschko, W. Nature 429, 177–180 (2004). 9. Maeda, K. et al. Nature 453, 387–390 (2008). 10. Gauger, E. M., Rieper, E., Morton, J. J. L., Benjamin, S. C. Vedral, V. Phys. Rev. Lett. 106, 040503 (2011). 11. Ahmad, M., Galland, P., Ritz, T., Wiltschko, R. Wiltschko, W. Planta 225, 615–624 (2007).
个人分类: 量子生物学|5302 次阅读|1 个评论
[转载]科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征
crossludo 2012-5-12 22:29
科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征 据英国《新科学家》杂志网站报道，英国科学家用含有金属的巨型分子，成功地制造出了类似于细胞的气泡，并赋予它们一些类似生命的特征。研究人员希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体，以此证明存在着完全基于金属(无机物)的生命。相关研究发表在最新一期德文版《应用化学》杂志上。 格拉斯哥大学的李·克罗宁通过将由钨(占大多数)和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐简单地在溶液中混合，让其自我组装成了像细胞一样的球体，并将得到的气泡称为无机化学细胞(iCHELLs)。他还通过修改其金属氧化物骨架，让其拥有了一些天然细胞膜的特征，比如，能有选择性地让不同大小的化学物质进出细胞膜，以此控制细胞内可发生何种化学反应(这是特定细胞的一个关键特征)。 克罗宁团队还在气泡内创建出了模拟生物细胞内部结构的分隔。更妙的是，他们已开始朝气泡填充设备，通过让一些氧化物分子与感光染料结合来进行光合作用。克罗宁说，早期的研究结果表明，他能制造出一个膜，其受到光照时，可将水分解成氢离子、电子和氧，这是光合作用的第一步。克罗宁表示：“也有迹象表明，我们可以激发质子穿过该细胞膜以建立一个质子梯度，这是利用太阳能的另一个关键阶段。如果能将所有步骤有效地整合在一起，我们就能创造出一种带有类似植物代谢成分的自供电细胞。” 克罗宁早在去年就已证明，可让多金属氧酸盐彼此互为基质来实现自我复制。他现在正大规模地制造气泡，并将其注入装满了酸碱度不同的物质的试管和烧瓶阵列中。他希望这种混合环境将只使最适合的气泡生存。他表示，从长远来看，真正的考验是细胞能否修改自己的化学性质从而适应不同的环境。克罗宁暗示，他的最新研究能证明这一点，他们最新展示的就是第一个可以进化的气泡。 目前，该研究还处于初级阶段，其他合成生物学家对此持保留意见。西班牙瓦伦西亚大学的曼努埃尔·泡卡指出，克罗宁的气泡永不会成为像生命一样的物质，除非它们能携带类似DNA(脱氧核糖核酸)的物质以实现自我复制和进化。 如果克罗宁的研究得到证实，那么存在外星生命的可能性将大大提高。日本东京大学基础科学系的牟中原说：“很可能存在着一些并不基于碳的外星生命。比如，水星上的物质就和地球上的物质大相径庭，可能存在由无机成分形成的生物。尽管克罗宁暂时还无法证明这一点，但他指出了一个新方向。”
个人分类: 遗传进化|1300 次阅读|0 个评论
猪笼草光合作用
热度 2 gaojianguo 2012-5-11 15:12
猪笼草光合作用
土瓶草和猪笼草一样，都是 “ 食肉 ” 植物。土瓶草有两种不同的叶子，一种是普通的能够进行光合作用的叶子，而另一种的主要功能则不是为植物的生长提供碳源，主要行使捕虫的功能，它是几乎所有的食虫植物都要的重要器官 ---- 瓶状叶（ pitcher ）。事实上，瓶状叶也可以进行光合作用，只是没有普通叶片那么强罢了。斯洛伐克学者 A. Pavlovič 通过对土瓶草光合特性的分析发现，土瓶草的瓶状叶的净光合速率低于普通叶，这与瓶状叶较少的叶绿素含量以及较低的气孔密度有关。他的论文 “Photosynthetic characterization of Australian pitcher plant Cephalotus follicularis “ 已经发表在 Photosynthetica 上， Photosynthetica 虽然影响因子不高，但确是有着广泛影响力的老牌期刊。 A. Pavlovič 还发现瓶状叶与普通叶的暗呼吸速率、和一些光化学效率参数没有差异，但在高光照条件下，普通叶的热耗散增加，这点很容易理解。这篇文章精彩之处在于，作者接着把土瓶草与其它食虫植物的瓶状叶的光合参数进行了比较，发现土瓶草的光合相当大，而猪笼草的相当小。由于光合同化碳源与捕捉猎物不可能同步协同进行，二者必然存在一种权衡关系，即要么多进行光合作用，要么多捕捉点小虫子。所以， 作者认为猪笼草是进化最成功的食虫植物 。研究进化生物学可以通过这种简单的比较得出有新意的结论，我非常喜欢本文的研究思路。 猪笼草的捕虫笼可以通过分泌蜜汁吸引昆虫，昆虫一不小心就会滑落到笼内，由于笼内有蜡质，极其光滑，所以贪吃的小昆虫只能慢慢等死。虽然有笼盖，但猪笼草的笼盖没有智能到当昆虫来的时候可以自动合上的地步，所以不难想象雨水也会进入捕虫笼，雨水进入捕虫笼后会稀释消化液，但有意思的是，我们可爱的猪笼草这时就会自动倾倒出雨水，这样就可以保持消化液的浓度了，同时也避免了猎物昆虫的逃逸。 图片来自维基百科 相关阅读： 种子光合作用 果实光合作用 玉米苞叶光合作用
个人分类: 生活点滴4|11851 次阅读|6 个评论
[转载]生物燃料死路一条？
热度 1 yangsk 2012-5-8 15:43
生物燃料死路一条？ 来源：南都周刊 日期: 2012年05月07日 马克斯·普朗克生物物理研究所的哈特穆特·米歇尔在2月的《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上发表了一篇社论，仅标题就表明了他的态度：生物燃料是扯淡。他对所有生物燃料领域的研究者和支持者集体发难，而不仅针对成为现今研究大热门的玉米乙醇这一隅。米歇尔揭示了地球上最重要的蛋白质之一—光合成反应中心的结构，并因此获得了诺贝尔化学奖—他理所当然知道光合作用是怎么回事。 在评论中，米歇尔先解释了生物燃料合成过程的能量效率。光合作用一直被人类膜拜，然而它并不如我们想象般高效。某种意义上讲，它的出现兼有进化的“合适开始”和历史的偶然性。一方面，植物因无法利用紫外、红外、绿色光而浪费了光谱中很大一部分能量。而电子转移及光捕获蛋白机制则很完美，并且在接下来的光反应和暗反应都有参与。光反应主要获取光能并产生辅酶NADPH和合成酶ATP，然后暗反应利用这部分能源和降低的电势与二氧化碳作用合成碳水化合物。但讲到能量利用固有低效问题，仅阳光光能的12%能被储存在NADPH中。 接下来，光强度问题似乎陷入了左右为难的陷阱。弱光，顾名思义，光子量低，其合成过程的效率最高。然而如果我们试图通过增加光强提高效率，又会造成光损失，用米歇尔的话来说，35亿年的进化无法克服。如果想要避免这种光损，植物则需将其中一种在光系统II限制效率的关键蛋白每小时循环使用约三次。最后，第二步反应的上述关键蛋白（RuBisCO，即1,5-二磷酸核酮糖羧化酶）又很难区分二氧化碳和氧分子。要摆脱氧分子的干预则要花很大的力气。 这些难题都指向了一个严峻的光合成效率低下问题—这个仅约4%的小之又小的能量转化率（在人类标准来看已经高得惊人了）无疑给人类泼了一盆冷水。以上种种显示，想要提高生物燃料效率的任何尝试都需经过蛋白质工程学上的无数难关。对当前无数致力于此的研究，这可不是什么好兆头。虽然从学术角度看令人振奋，但是我们需要大幅重组光合成的基本单位，包括重建无数基因途径以及获取其能达到量产获取商业价值的产物。人们很容易低估了从这些技术而获取净能量所付出的代价。 现在，应用基因工程细菌的生物合成学法，在高价药品和化工品的领域是大热门，然而让细菌做一些有违进化的事并还要做到足以与化石燃料相抗衡，却路长道远。米歇尔甚至对最近大热的红藻生产生物燃料也不抱多大希望。 看完他的预测，不禁想问，有多少像埃克森美孚和基因巨头克莱格的强强联手（双方在2009年签署了价值6亿美元、关于藻类燃料的合作协定）可以真正做到量产呢？最后，那些提供给生物燃料和其生产原料的土地可不可以提供给其他替代能源呢？这些问题还需三思。 在光伏发电上，米歇尔则乐观了很多。光伏发电的能量转化率已经提升了15%。当最终产品用于汽车时，光伏电池也可以将80%的能量用于驱动汽车。另外，电池技术近期研究进展显示能量密度有了大幅提升，米歇尔则对此很是看好。 在能量利用上，我赞成具体问题具体分析。从能源分布、地理情况、能源需求、购买力和经济学角度上，找到一劳永逸的解决方案不太现实。不过总是有人站出来推行一个全球适用、近乎神话的单一方案。 对太阳能我也秉持类似观点。现有的解决方案无法解决阳光并不充足地区的传送问题和太阳能利用率问题。米歇尔的关注点一部分落在了超导电缆的广泛使用上，然而现在却是黄粱一梦。尽管摆脱不了上述问题，太阳能在我们的经济中仍应起很大的作用，尤其在那些阳光充足的地区。 至于生物燃料，与其说是技术问题，还不如说是生物学的根本问题。要想颠覆35亿年的进化过程是很困难的，时间会证明一切。 （发布：王楠）
个人分类: 科技评论|2531 次阅读|1 个评论
“扯淡的生物燃料”－全文翻译诺奖获得者米歇尔教授的新近一文
热度 32 longkouwan 2012-4-28 02:47
译者注：哈特穆特·米歇尔，德国生物化学家，因研究光合作用反应中心蛋白复合体的立体结构而荣获 1988 年诺贝尔化学奖。米歇尔教授于今年 3 月 12 日的德国《应用化学》杂志撰文发表了“ The Nonsense of Biofuels （扯淡的生物 燃料 ）”一文，直言生物燃料的缺陷。征得米歇尔教授同意，以及德国《应用化学》杂志社的授权，现将其全文翻译如下，敬献国内读者。按照要求，在此声明本文的英文原文的详细信息是： Hartmut Michel.2012. Angewandte Chemie International Edition. 51, 2516-2518. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA. Reproduced with permission. DOI:10.1002/anie.201200218 德国《应用化学》杂志在其网站也将收录该文如下的中文版。 扯淡的生物燃料 Hartmut Michel 哈特穆特·米歇尔 （ E-mail: hartmut.michel@biophys.mpg.de ） 化石燃料，例如石油，煤炭和天然气，都是古代沉积的动植物和微生物的遗体演变而来。因此，从能量来源的角度讲，化石燃料其实是光合作用的间接产物。 由此，人们自然的联想到能否利用目前存在的生物质来生产生物燃料，例如生物柴油、沼气和生物氢气。关于生物燃料的好处，我们经常读到文章讲它是一种二氧化碳中性的能源，也就是说不会增加大气中二氧化碳的浓度，所以有助于缓解全球变暖；并且生物燃料能够降低汽油和天然气的进口量，从而降低许多国家能源的海外依赖率。本文中，我将展开讨论生物燃料生产中的能量转化效率，并从能量转化效率的角度将生物燃料与其他的清洁能源生产进行比较，从而得出一些显而易见的结论，并提出我个人的一些看法。 光合作用的能量转化效率（从太阳能到生物能） 首先，有必要讨论一下光合作用的能量转化效率 , 以及通过提高光合作用来提高生物质产量的途径。光合作用包括两个部分，一是光反应，二是暗反应。在光反应中，植物通过光合色素吸收太阳光的能量并将其聚集到反应中心。然后通过电子和质子传递合成了生物体中通用的能量载体分子三磷酸腺苷（ ATP ）和具有还原能力的辅酶Ⅱ（ NADPH ）。换言之，在这个过程中植物吸收的太阳以 ATP 和 NADPH 的形式储存起来；然后在随后的暗反应中，植物利用 ATP 和 NADPH 中所存储的太阳能将从空气中所吸收到的二氧化碳和从土壤中吸收的水合成为碳水化合物。 植物光合色素只能吸收和利用太阳辐射能量的 47% ，因为绿光，紫外光和红外线等波段的能量不能为光合所利用。理论上讲，合成一个 NADPH 分子需要 8 个光子的能量；但是事实上则需要 9.4 个光子。根据一个光子所携带的平均能量计算，光合作用在理论上仅仅能将 11.8   % 的太阳能通过合成 NADPH 的形式存储。因此， 11.8   % 也将是生物氢气生产中的太阳能转换效率的上限。 不幸的是，从能量转化效率的角度讲，光合作用在弱光条件下最高。在 20% 的日照强度下，光合作用即达到最高值，意味着在晴朗的夏日正午日照最强的时候， 80% 的太阳能竟无法为光合作用所利用。其理论上的原因很可能是由于光合反应中心的电子传递的限制造成。更为不幸的是，在高光强条件下，光合反应组件“磨损”加剧，以至于其中的一个叫做 D1 蛋白的组件，植物一小时得更换三次！生物学上将这种现象称为“光抑制”。显然，“光抑制”现象是对太阳能的极大浪费；但是在经历了漫漫 35 亿年进化后的今天，光合作用终究也没有克服“光抑制”。 暗反应的过程也同样存在严重的能量浪费。这主要是由于将二氧化碳还原成碳水化合物的 RuBisCO 酶，时常错误的将氧气作为反应对象，导致了大量能量被用于纠正这一错误，其比例高达植物所吸收的太阳能的 1/3 ！另外，暗反应的高效进行需要充足的水，但是很多时候植物处于缺水状态，极大的降低能量转化效率。 考虑到光反应和暗反应中的种种限制因素， 4.5% 的太阳能转化效率是 C3 植物的光合作用的理论上限。现实的农业生产中，即使是杨树一类的速生树木，其太阳能转化效率仅仅在 1% 的水平。 生物燃料 根据生物燃料的单产（公斤 / 公顷）以及生物燃料的能量密度（焦耳 / 公斤），我们可以轻松的计算出生物燃料生产过程中太阳能的转化效率。其结果是，德国的生物柴油（油菜籽加工而来）含有低于 0.1   % 的初始太阳能，生物乙醇低于 0.2% ，沼气大约是 0.3% 。值得注意的是，这些数值没有扣除生产中投入的额外能量（包括生产相应化肥和农药的能量投入，耕作、播种、施肥、喷药、收获和运输的能量投入）。这些能量投入超过了生物燃料本省能量的 50% ，并且主要来源于化石燃料。因此，生物燃料并非是完全二氧化碳中性。特别是，当使用小麦和玉米作为原料生产生物乙醇时，其额外的能量投入更高，以致于许多科学家认为从生物乙醇的能量中扣除额外的能量投入后，结果接近于零。可以肯定是，通过使用生物燃料来降低二氧化碳排 放，其作用杯水车薪。以整株植物为原料来生产生物燃料的第二代技术，可以将生物燃料的单产翻番，但是也需要更多的额外能量投入。例如，在“费托合成”的方法生产合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）时，生物源的合成气中氢气含量偏低，需要添加额外的氢气。总结说来，通观单位土地上太阳能到生物燃料的转化效率，我的结论是，生物燃料生产的土地利用效率极其低下。巴西通过甘蔗来生产酒精也是一样。 生物燃料的替代途径 目前商业推广的太阳能发电面板的能量转化效率已经达到了 15% 的水平。这些电能，绝大部分都可以被有效的存储到蓄电池中。从太能转化效率来看，太阳能到蓄电池的效率是太阳能到生物燃料的 150 倍！并且，如果用蓄电池驱动车辆， 80% 的能量将转化为驱动能量；而生物燃料中只有 20% 的能量转化为动力。因此，从太阳能到驱动能量， 光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一组合的 太阳能利用效率是生物燃料途径的 600 倍！ 提高光合作用的效率 诚然，提高光合作用和生物质产量是有一定空间的。首先，通过改造光合色素来扩大有效光合波段具有理论的可能性，例如将紫外和绿光变成光合有效辐射就是一个方向。另外一个更加现实的途径是，通过改变光子收集原件和光反应中心的布局来优化电子传递速度、降低光抑制现象以及提高光合作用的光饱和点。在暗反应方面，目前有研究表明，红色蓝藻在碳水化合物合成中对二氧化碳结合的专一度要比植物高，从而降低了暗反应过程中的能量浪费；因此这一途径很可能也会提高高等植物在碳水化合物合成过程中的能量利用效 率。 当前生物氢气的生产主要是利用氢气合成酶在光合系统 I （光反应中的两个系统之一）中富集电子的一侧合成氢气。如果能够将具有分解水能力的光合系统 II 也利用起来话，通过分解水来生产氢气，就可以将目前的能力转化效率提高一倍，明显提高与光伏太阳能发电的竞争能力。但是，从目前蛋白质工程的 技术 水平上看，其实现遥遥无期。 当前普遍看好以蓝藻作为原料生产生物燃料的潜力。但是许多人对该体系的太阳能转化效率的估计过分乐观，有些数值甚至已经高于光合作用中能量转化的理论上限。我承认与高等植物相比，蓝藻体系具有两大优势，一是所有细胞全部参与光合作用，二是充足的供水。但是，其限制条件也相当明显： 1 ）光反应中的“光抑制”， 2 ）暗反应中的能量浪费， 3 ）养殖和收获蓝藻以及随后的生物燃料生产过程中的巨大额外能量 的 投入。 展望 前面已经叙述了提高光合作用能量转化效率对提高生物燃料能量转化效率的重要意义，并且提高光合作用能量转化效率也是提高作物产量、保证全球食品安全的重要途径，但是这些都不能挑战光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一系统突出的高能量转换效率的地位。目前，对于光伏发电 / 蓄电池 / 电动机这一能量转换系统，其主要限制因素是当前蓄电池的电能储存能力水平较低。但是，近年来的蓄电池技术的发展取得了令人欣喜的进展；例如本杂志就报道的一种硫－锂－铁的新型电池 1 ，其蓄电能力是普通锂电池的 10 倍！该技术一旦实现商业化，那么配有该电池的电动汽车，其充电一次的行使里程将等同于传统燃油汽车一箱汽油的里程。同时，这种高效储能电池也是储存电能的一项有效手段。在更远的将来，当常温超导材料实现商业化后，也许就不需要进行大规模的储存电能。届时，全球范围内的位于不同时区的光伏发电场将通过超导电缆连接成一个整体，从而实现持续不断的电力供应。 建议 种植能源植物生产生物燃料将不可避免的与粮食作物争地，同时考虑到该系统低下的太阳能利用效率，我们不应将宝贵的耕地和水资源用于生物燃料的生产。种植能源作物将不可避免的推高粮食价格，加剧贫困人口的粮食危机。最好利用生物质的方式之一是生产高附加值的化工原料。即使利用生物质直接燃烧来取暖或者发电，也比通过生产生物燃料来驱动汽车或取暖要好的多。生产生物燃料过程中所投入的额外的化石能源，也应该直接用于交通运输。 通过在热带雨林地区种植棕榈树来生产生物燃料是一项非常危险的方案。因为热带雨林土壤中的泥炭将被暴露在空气中，与氧气反应形成二氧化碳，其结果是释放出的二氧化碳将比棕榈树所吸收的二氧化碳还要多。同时，热带雨林在全球气候中起着极其重要的作用，并且也是宝贵的药用植物资源库。从降低大气二氧化碳浓度的角度来讲，我们更应该做的是将种植能源植物的土地改造成森林；因为在 1% 光合太阳能转化效率条件下，一平方米的森林可以从大气中吸收 2.7 公斤的二氧化碳，而如果用同样一平方米的能源作物来生产生物燃料的话，将最终导致 0.31 公斤的二氧化碳净排放量！ 电动车一定是个人交通工具的未来。 参考文献 1 J. Hassoun,B. Scrosati,Angew. Chem.2010,122,2421–2424; Angew. Chem. Int. Ed.2010,49,2371–2374.
个人分类: 粮食安全 vs 能源安全|13190 次阅读|47 个评论
123456下一页

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-5-18 21:28

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部