这种蓝叶子的植物不怕黑

孔雀海棠通过微小的光子晶体获得了彩虹般的蓝色。(照片:马修·雅各布斯/布里斯托大学)

水果和花有各种各样的颜色,这可以帮助植物吸引有益的动物,如传粉者。叶子通常是绿色的,因为那是叶绿素的颜色,植物用来进行光合作用的色素。

但是光合作用器不一定是绿色的。例如,许多植物有略带红色的叶子,这是由于其他颜料除了叶绿素,像类胡萝卜素或花青素。在地球有氧气大气层之前,这个星球可能已经经历了一次紫色的阶段这种微生物使用了一种不同的光敏感分子——视网膜,而不是叶绿素。

现在,多亏了一组光子学研究人员和生物学家,我们了解了光合作用的另一个奇怪的变化:亮蓝色秋海棠。

缠在蓝色里

蓝色叶子的秋海棠
一些住在阴凉处的秋海棠的彩虹色的蓝色叶子来自被称为“彩虹叶”的特殊叶绿体。 (图:马修·雅各布斯/布里斯托大学)

与紫色的微生物不同,这些秋海棠的蓝色叶子像绿色植物一样依赖叶绿素。但与许多红叶植物不同的是,它们的颜色也不是来自额外的色素。根据一项发表在《自然植物》杂志上的新研究在美国,它们的蓝宝石叶子来自更奇怪的东西:纳米级晶体,这有助于它们在黑暗的热带雨林下层植被中生存。

秋海棠是很受欢迎的室内植物,部分原因是它们可以在没有阳光直射的室内生存。这种技能是在热带和亚热带森林地面上的野生秋海棠中进化而来的,那里的树冠层上只有零星的阳光。为了进行光合作用,叶绿体——含有叶绿素的细胞结构——必须最大限度地利用它们所获得的微弱光线。

科学上已知的秋海棠种类超过1500种,其中包括一些长期以来因其叶片上的蓝色光泽而令人类眼花缭乱的秋海棠。然而,正如这项新的研究所解释的那样,这些蓝色叶子的生物学用途还不清楚,这使得科学家们怀疑它是否能阻止捕食者或保护植物免受过多的光照。

这个谜一直持续到英国的研究人员英国布里斯托尔大学和埃塞克斯大学注意到孔雀秋海棠(秋海棠pavonina),原产于马来西亚山地森林。它以明亮的绿色叶子而闻名,有时候,在某些光线角度下,它会闪烁出彩虹般的蓝色。然而,他们发现,当生长在明亮的光线下时,它会保持绿色,只有在相对黑暗的环境下才会变成蓝色。

黑暗水晶

哥斯达黎加的蓝闪蝶
蓝色闪蝶的彩虹翅膀是由光子晶体构成的。 (照片:卡斯帕s / Flickr)

正常情况下,叶绿体含有扁平的膜状囊,称为类囊体,它们松散地堆在一起。这些烟囱是光合作用发生的地方,绿色植物和蓝色秋海棠都是如此。然而,在后者中,类囊体的排列更加精确——事实上,它们的形成非常精确光子晶体是一种影响光子运动的纳米结构。

“在显微镜下,叶片中的叶绿体反射出明亮的蓝光,几乎像一面镜子,”首席作者马修·雅各布斯说,他是布里斯托大学的生物学博士生声明的发现。

“通过使用电子显微镜技术进行更详细的观察,我们发现秋海棠中发现的‘蓝色’叶绿体与其他植物中发现的‘蓝色’叶绿体有显著的不同。内部结构排列成非常均匀的层,厚度只有几个100纳米,相当于人类头发宽度的1000分之一。”

由于秋海棠的叶子是蓝色的,雅各布斯和他的生物学家同事们知道它们之间一定有联系。因此,他们与布里斯托尔大学的光子学研究人员合作,后者意识到,这种天然结构看起来就像用于微型激光器和其他控制光流的设备的人造光子晶体。

用同样的技术来测量这些人造晶体,研究人员开始研究孔雀海棠的版本。它的虹彩体反射所有的蓝光,使它们在没有色素的情况下呈现蓝色,类似于蓝鳍金枪鱼这样的虹彩蓝色动物蓝色大闪蝶蝴蝶。研究发现,它们也比标准的叶绿体吸收更多的绿光,这为秋海棠为什么会变成蓝色提供了线索。

指明灯

马来西亚的林冠
浓密的雨林树冠迫使较矮的植物充分利用微弱的阳光。 (照片:THPStock /在上面)

绿色植物之所以看起来是绿色的,是因为它们主要吸收其他波长的光,留下的绿色会反射到我们的眼睛上,并通过树冠的缝隙向下反射。因此,当树木的天花板吸收大量的蓝光时,森林地面上的绿色就不那么罕见了。而且,由于虹膜能聚集绿光,它们可以更有效地利用现有光线,帮助秋海棠生活在深阴影中。当研究人员在昏暗条件下测量光合速率时,他们发现蓝色秋海棠收获的能量比绿色植物的正常叶绿体多5%到10%。

这并不是很大的差别,但在贫瘠的热带雨林,这可能会给秋海棠带来它们所需要的刺激。布里斯托尔新闻还补充说,了解更多关于它们叶子的知识也可能对人类有益,提供我们可以用于“提高其他植物产量,或用于制造更好电子产品的人工设备”的蓝图。

这项研究的作者说,还需要进行更多的研究来调查类似的潜在津贴,并揭示这种现象到底有多罕见。研究发现孔雀秋海棠含有虹膜体和正常叶绿体的混合物,表明蓝色结构“几乎像一个后备发电机的功能,”合著者、布里斯托尔生物学家希瑟·惠特尼说告诉《大众机械》。如果有足够的光照,植物可以使用传统的叶绿体,然后在光照水平过低时切换。

她说:“一株植物已经进化出一种以各种不同方式操纵周围光线的能力,这是非常美妙的,也是合乎逻辑的。”

即使这种现象很普遍,它也凸显了关于人和植物的一个重要问题。植物王国充满了神奇的适应性,可以帮助人类,从救命的药物到弯曲光线的晶体,但是它们往往生长在森林里——全球生态系统因伐木和农业而面临越来越大的压力。

蓝色秋海棠可能是安全的,但它们只是隐藏在地球原始森林里的宝藏的一个暗示。当惠特尼告诉《华盛顿邮报》在美国,生活在竞争激烈的生态系统中,会促使植物进化或灭亡。“它们可能有很多我们还不知道的诀窍,”她说,“因为那是它们生存的方式。”

(孔雀秋海棠照片,马修雅各布斯/布里斯托大学提供)