帕劳位于西太平洋，由多个岛屿组成。在该岛国的热带珊瑚礁中，生活着一种常栖于浅水区的双壳类软体动物——砗磲（Giant clam）。它们体型较大，乍一看并不起眼。但随着砗磲打开它们近1.2米长的外壳，并伸展出其外套膜（mantle），你便会看见里面闪闪发着蓝光的组织——最新研究认为这是迄今发现的最高效的太阳能系统。美国耶鲁大学的生物物理学家艾莉森·斯威尼（Alison Sweeney，这项研究的通讯作者）表示：“没人能解释为什么砗磲呈现的颜色如此鲜艳，这让我十分好奇。”此前研究这种独特的带有光泽感的色彩时，斯威尼和同事发现，虽然砗磲会在阳光照射下呈现出艳丽的颜色，但其外套膜的反射率其实只有5%，而反射率与物体的颜色密切相关。
其余的入射光都被吸收了，而且大部分光线被传递至砗磲体内的共生藻类，以便藻类通过光合作用为砗磲提供食物。砗磲对入射光的吸收率高达约95%，可以显著提高藻类的光合作用效率。相比之下，亚马孙雨林等陆地森林吸收光的能力本身就比较低，光合作用的效率当然从一开始就不会很高。斯威尼和同事还发现，外套膜表面排列着名为虹彩细胞 （iridocytes）的特化细胞，这些细胞内含有整齐排列的透明小板，它们富含蛋白质，可以散射光线，同时使光线渗透至砗磲更深处。
在这项发表于《物理评论X·能源》（PRX Energy）的研究中，斯威尼和同事研究了砗磲的共生藻类的排列方式，这些藻类位于从砗磲消化系统向上伸出的、已被改造的微小管道中。虽然能进行光合作用的组织结构是随机分布的，但砗磲体内的藻类却会有序排列，形成独特的细长柱状，从各个虹彩细胞一直延伸到砗磲外套膜内。斯威尼表示：“砗磲基本上就是把那些藻类当成自家要负责的农田了。”
通过对这一系统进行建模，斯威尼与同事计算出光合作用第一步（叶绿素吸收单个光子）的理论效率为43%。这是目前大多数太阳能电池板效率的两倍多，也是热带植物叶片光合作用效率的大约三倍。此前，研究团队曾测量了野外环境中砗磲-藻类系统的光合作用效率，结果甚至超过了60%。在这项新研究中，研究人员解决了这一矛盾。他们发现砗磲有一种奇特的行为：它们很可能会在一天中随阳光的变化伸展或收缩自己的外套膜。研究人员认为，这可以让砗磲-藻类系统进一步优化它们在阳光下的暴露程度，从而使如今的模拟效率提升至约67%。
出于好奇，研究人员开始寻找其他反射率极低的光合作用系统，最终将目光锁定在古老云杉林的卫星照片。斯威尼说，这些照片不禁让她联想到砗磲组织的显微图。她还说：“即便不知道所看卫星图像的比例，也能看出两种图像之间惊人的相似之处。”就像砗磲的虹彩细胞会使光线朝着体内藻类方向散射一样，在古老云杉林中，林冠所环绕的云雾也会使光线朝下方树木散射，而这些树就会如同砗磲体内的藻类吸收更多的光。
“生物系统的基础研究为我们提供了新思路和新策略，可应用于意想不到的场合中，”美国麻省理工学院的物理化学家加布里埃拉·施劳-科恩（Gabriela Schlau-Cohen，未参与这项研究）说，“考虑到我们如今面临的史无前例的能源危机，我们需要一切可用的策略。”
“我对光合作用的认识源自落叶林和玉米田，而事实证明它们在这方面的表现其实很糟糕，”斯威尼说，像砗磲这样的“双壳类动物反而是我们寻找解决方案的理想场所”。
本文选自《环球科学》10月刊“前沿”栏目。
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到newmedia@huanqiukexue.com与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
《环球科学》2025年度征订现已开启
点击图片或阅读原文即可订阅！
-电商广告-
