彩虹色的叶子利用量子力学在阴凉处茁壮成长

彩虹色花朵在自然界中很常见。它们闪闪发光的花瓣吸引了蜜蜂的注意，诱使它们飞过来为花朵授粉。但为什么叶子会是彩虹色的呢？这是布里斯托尔大学植物学家 Heather Whitney 在研究彩虹色花朵时提出的问题。

“我觉得这很奇怪，”惠特尼告诉《大众科学》 。“总的来说，你不会想把昆虫（食草动物）吸引到树叶上。”此外，她还注意到这些彩虹色的叶子总是出现在阴生植物中。这似乎违反直觉，因为人们会认为生长在阴凉处的植物会吸收每一点可用的光线。然而，彩虹色会反射一些光线。

秋海棠属植物的叶子呈彩虹色，是室内植物爱好者的最爱，它们在弱光下也能茁壮成长。 《自然植物》杂志今日发表的一篇论文指出，某些秋海棠属植物所呈现的耀眼彩虹色实际上可能是它们在深荫下增强光合作用的方式。

惠特尼和她的同事与物理学家和工程师联手探索这个问题。他们的发现可能会改变我们对叶绿体（植物光合作用场所）的看法。这些细胞器使植物的叶子呈现出特有的绿色，它们捕获太阳能将水和二氧化碳转化为植物生长和生存所需的糖。

但这些阴生秋海棠的叶绿体却不同。这些结构高度复杂的细胞器（惠特尼和她的同事称之为“虹膜体”）不仅可以捕捉光线，而且还可以充当光子晶体结构，增强植物捕捉特定波长光线的能力。由于当光线到达森林地面时，树冠上部的叶子已经吸收了大部分可用波长，因此阴生植物已经适应了利用这些微不足道的光线。

“秋海棠能够在正常叶绿体无法做到的低光照水平下获取光线，这意味着秋海棠能够进行光合作用，并在其他植物根本无法进行光合作用的低光照条件下生存，”惠特尼说。“虹膜体可以‘搜寻’光线，并在低光照条件下更有效地利用光线。”

这种清除的关键在于叶绿体中类囊体组织的高度有序性。通常，叶绿体中这些称为基粒的膜堆叠仅吸收阳光。但在虹膜体中，基粒的结构形成光子晶体，可以改变入射光，使其更适合光合作用。它们的间距与它们所吸收光的波长相对应。光波形的峰值与堆叠的基粒相匹配，这有效地降低了光的速度，使叶绿体能够更有效地吸收光。

研究人员怀疑这些高度有序的类囊体膜可能会降低与光合作用相关的电子传递效率，从而导致虹膜体在较亮的光照条件下效率低下。但秋海棠也含有正常的叶绿体，因此它们能够很好地适应各种环境。

惠特尼对这项研究如何加强我们对光合作用光捕获的理解充满希望。由于叶绿体可以在不同的光照条件下重新排列，惠特尼想知道科学家是否能找到更多能够克服结构限制、在各种条件下生存的植物。“还有多少其他植物可能利用光子学来增强光合作用？”