美科学家用计算机成功模拟植物光合作用

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据国外媒体报道，美国科学家近日称，他们最近在实验室成功地用计算机模拟了植物的光合作用，并据此培育出品种更加优良的植物。这种新植物不需要额外增加养份，就可以长出更茂盛枝叶和果实。

美国伊利诺伊大学植物生物学和作物科学教授斯蒂夫·隆表示，目前研究人员能够在超级计算机上模拟整个光合作用过程，并对所有可能的排列进行测试。在农作物，如小麦，结出谷粒前，绝大部分被吸收的氮都变成了植物叶片中的用来促进光合作用的蛋白质。为此，研究人员们提出了一个简单的问题：“我们能不能像植物那样给不同的光合蛋白质准备一定数量的氮，甚至比植物做得更漂亮呢？”

首先，研究人员建立了一个可靠的光合作用模型，以便精确模拟植物对环境变化的光合反应。为了完成这个艰巨的任务，科学家们使用了由美国国家超级电脑应用中心提供的计算资源。负责实现此模型的科学家包括国家超级电脑应用中心的植物生物学家朱新广、隆教授以及伊利诺斯州计算数学专家艾里克·斯特勒。在确定光合作用中每种蛋白质的相对数量后，研究人员设计出了一系列连锁微分方程式，每个方程模拟了光合作用中的一个步骤。通过不断的测试和调整模型，研究小组最终成功预测了在真实叶片上进行实验的结果，其中包括叶片对环境变化的动态反应。接下来，研究人员们对模型进行编程，以随机改变光合作用过程中每种蛋白酶的含量水平。

模型运用“进化算法”搜寻各种酶，以提高植物的产量。一旦实验证明某种酶的相对高浓度可以提高光合作用的效率，该模型就会利用此实验结果进行下阶段的测试。科学家们通过这种方法确定了许多可以大大提高植物生产力的蛋白质。这个最新发现也印证了其他一些研究人员的研究结果，他们发现，在基因改造植物中，当这些蛋白质中某一种的含量得到增加，植物产量就会随之提高。斯蒂夫·隆说：“通过改变氮的投入，我们几乎可以使光合作用效率提高两倍。然而，随之而来的一个显而易见的问题是，为何植物的生产力可以提高如此之多，为何植物还未能进化到可以自身进行如此高效的光合作用？这个问题的答案可能在于，进化的目的是生存和繁殖，而我们实验的目的是增加产量。模型中显示的变化很可能会破坏植物在野外的生存，因此这种模拟只适合在农民的农场中进行。”

斯蒂夫·隆教授说，目前全球每年通过光合作用能够固定2200亿吨生物质，相当于世界上所有能耗的10倍。要植物产生更多的生物质，就需要提高光合效率。通过高新技术转化，我们甚至可以让有些藻类在光合作用的调节与控制下直接产生氢。光合作用与农业的关系同样密切，水稻与小麦的高产品种的光合作用效率可以达到1%至1.5%，而甘蔗或者玉米的效率则可达到5%或者更高。如果人类可以人为地调控光能利用效率，农作物产量就会大幅度增加。要彻底揭开这一谜团，在很大程度上依赖于多学科的交差进行研究，依赖于高度纯化和稳定的捕光及反应中心复合物的获得，以及当代各种十分复杂的超快手段和物理及化学技术的应用与理论分析。事实上，当代几乎所有的物理、化学学科中，最先进的设备与技术都可以用到光合作用研究中来。
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