热带大砗磲的生存魔法？看自然界的“高效能源”秘诀！

澳大利亚昆士兰州大堡礁迈克尔玛斯礁的大砗磲（Tridacna gigas）。摄影：Charles J. Sharp （CC-BY-4.0）
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传统的太阳能技术效率不高，使得它在大规模能源生产中应用受到了限制。目前的太阳能技术大多依赖于稀有资源或高能耗的制造过程，这些都影响了它们的可持续性、以及成本效益。随着全球对可再生能源需求的增加，人们迫切需要寻找更高效、更环保的能源解决方案。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年7月2日，耶鲁大学研究人员领导的一项研究发表于《PRX: Energy》期刊上，这项研究表明：生活在热带珊瑚礁附近的大砗磲（giant clams, Tridacna）可能是地球上最有效的太阳能系统。

这项研究发现，这些闪闪发光的彩虹般的大砗磲（iridescent giant clams）利用垂直排列的单细胞藻类来吸收阳光，而这些阳光首先经过一层虹彩细胞（iridocytes）前向散射。这种独特的排列方式，让它们即使在强烈的阳光下，依然能够高效地进行光合作用。然而，如何准确计算这种系统的标准化生产力一直是个难题。受到砗磲几何结构的启发，这个研究团队建立了一个分析模型，来评估类似结构系统的理想表现。

上图：帕劳珊瑚礁上的巨型砗磲与珊瑚。图a：巨型砗磲（Tridacna crocea）与造礁珊瑚（Acropora sp.）并存于帕劳珊瑚礁。两种生物都与共生藻类（Symbiodinium sp.）共生，但整体反射率却截然不同。图b：来自左侧的强定向照明照射下，小型砗磲（T. crocea）呈现出独特的视觉效果。在非对称照明条件下，砗磲左侧的前向散射虹彩细胞（Iridocyte）变得透明，露出由藻类构成的垂直排列圆柱阵列。图片来源：Holt, A. L., Rehm, L. F., & Sweeney, A. M. (2024)

在研究模型中，光合作用-辐照行为遵循从砗磲中分离出来的藻细胞的行为。研究利用了标准的光合作用活性辐射速率（每产生一个氧气分子需要八个光子），发现砗磲采用的“光稀释”策略在固定的几何结构下，在热带强烈阳光下，相对于太阳资源可以达到43%的量子效率。

上图：光线在共生藻随机层和模型圆柱体中的传播。图a：共生藻随机层中的光线传播示意图。图b：简单模型圆柱体中的光线传播示意图。图片来源：Holt, A. L., Rehm, L. F., & Sweeney, A. M. (2024)

研究人员通过比较模型的性能与已发表的活体砗磲的光合作用-辐照关系，发现活体系统的性能远超静态模型。所以，他们就进一步地考虑了一种系统几何结构随太阳辐照动态变化的模型，用来优化量子效率。在这种情况下，在典型的热带晴天中，阳光变化下，模型的性能与大型成熟的活体砗磲一致，量子效率达到了67%。该研究还表明，类似的动态调节可能在活体动物的砗磲组织几何结构中发生。

上图：砗磲组织中的多重散射：数值蒙特卡洛模型及其与活体砗磲的关系。图a：一只活体砗磲，展示了砗磲壳长与暴露外套组织宽度的关系。图b：低倍放大镜下的微观照片，显示了在虹彩细胞薄层下的深色藻类区域。图c：单个砗磲虹彩细胞的透射电子显微镜照片。图d：砗磲组织内详细多重散射的蒙特卡洛模型的特定细胞坐标。单细胞共生藻（Symbiodinium）以蓝色表示，虹彩细胞以绿色表示。图片来源：Holt, A. L., Rehm, L. F., & Sweeney, A. M. (2024)

此外，这个研究团队还探讨了活体系统中的效率提升是否可能通过进一步优化每个细胞对多重散射光的吸收来实现。不过，在捕捉现实砗磲组织中的辐射传输多重散射的数值模型中，相较于较简单的单次传递分析模型，他们并没有观察到效率的提升。因此，研究人员推测，要实现超越动态、大型砗磲模型的额外资源效率，需要在细胞间的非平凡组织层面进行更复杂的组织结构优化。

这项研究还指出，北方云杉森林在大气雾霭的影响下，可能利用与巨型砗磲类似的散射和吸收策略，尽管是在更广阔的尺度上。因此，研究模型展示了它们在利用太阳能方面的最高效率。这些原理不仅可以应用于各种光合细胞和有机光转换材料，还能为设计新型高效光转换技术和材料提供新思路，同时为优化工业生物质生产的最佳土地利用提供了重要参考。

该研究的第一作者是斯威尼实验室（Sweeney Lab）的副研究科学家阿曼达·霍尔特。共同作者包括帕劳裔美国人林肯·雷姆，他曾在德雷塞尔大学（Drexel University）攻读研究生，在帕劳国际珊瑚礁中心（Palau International Coral Reef Center）工作，目前在美国国家海洋与大气管理局任职。这项研究得到了帕卡德基金会奖学金（Packard Foundation fellowship）和美国国家科学基金会的资助。

国家二级保护动物——鳞砗磲。摄影©绿会融媒·海洋与湿地工作组
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量子效率（Quantum Efficiency，QE）是用来描述光电器件将光信号转换为电信号效率的参数，单位为百分比。它代表了入射到光电器件的光子数中，被转换成电荷载体的比率。在光合作用中，指将光子转化为电子的效率。在这项研究中，巨型砗磲通过其特殊的结构和光散射特性，展示了比人造太阳能技术更高的量子效率。

虹彩细胞（Iridocytes）又称为彩虹色素细胞或鸟色素细胞，是一种常见的色素细胞，主要存在于鱼类、两栖类、爬行动物、节肢动物和一些软体动物中。虹彩细胞含有大量的虹彩小体，其内含有由鸟嘌呤晶体构成的高折射率的反射小板，反射小板与低折射率的细胞质交替排列形成交替层的结构。光被交替层反射后通过多层薄膜干涉，使细胞呈现出彩虹般的颜色。虹彩细胞的颜色可以随着光线的照射角度和观察角度而变化。在这项研究中，砗磲表面的一层细胞，具有能够前向散射光线的能力，能帮助优化光的利用效率。

光共生关系（Photosymbiotic Relationship）是一种密切的共生关系，其中一种生物（称为光合共生体）为另一种生物（称为宿主）提供光合作用产生的有机物，而宿主则为光合共生体提供生存所需的场所和营养物质。光共生关系广泛存在于自然界中，常见于海洋和陆地生态系统。

在海洋中，光共生关系主要存在于珊瑚、海藻和一些软体动物中；在陆地生态系统中，光共生关系主要存在于地衣、苔藓和一些蕨类植物中。在本研究中，砗磲与其表面的单细胞藻类之间的共生关系，单细胞藻类通过光合作用为砗磲提供能量，而砗磲提供生存空间和营养物质。

动态几何优化（Dynamic Geometry Optimization，DGO）是一种将动态几何系统（Dynamic Geometry System，DGS）与优化算法相结合的计算方法，用于解决具有几何约束的优化问题。在这项研究中提到了这个概念，是因为砗磲能够根据光照强度动态调整其组织结构，以最大化光的吸收和利用效率。

太阳能仿生学（Biomimicry in Solar Energy）是将自然界中生物的光合作用过程应用于太阳能发电技术的一个研究领域。通过观察和研究自然界中高效的光合作用机制，科学家们可以借鉴和模仿这些机制来设计和开发更高效的太阳能电池和光电系统。这项研究中提到了这个术语，是因为通过学习砗磲的光能利用策略，可帮助人类设计和改进人造太阳能技术，以提高效率并减少资源消耗。

思考题·举一而反三

【Q1】巨型砗磲如何通过其特殊的光散射和光合作用结构实现高达67%的量子效率？

【Q2】如何将巨型砗磲的光能利用策略应用到人造太阳能技术中？

【Q3】这个文章提到了巨型砗磲和北方云杉森林之间的光吸收和散射策略相似性，是否提示了一种更广泛的生物能源优化模式？人类对于生物多样性的能源策略的这种借鉴，体现了“生物多样性”的何种价值？

【Q4】砗磲组织中的多重散射是如何影响光合作用效率的？砗磲组织中的多重散射会影响光线在组织中的传播路径和强度，从而影响共生藻的光吸收效率。研究表明，多重散射可以提高砗磲组织的光吸收效率，有利于共生藻的光合作用。那么，多重散射对光合作用效率的影响具体有哪些？不同类型的砗磲组织，其多重散射对光合作用效率的影响有何差异？

参考资料略