地球上最早的调光大师

卢天放

现代社会，自拍几乎是人人必会的技能，而自拍过程中光线是至关重要的，一张成功的自拍离不开恰到好处的光线，因此学会如何调光变成了现代人的必修课。调光这件事，也许我们可以向植物学习，毕竟它们可算史上最早的“调光大师”。

花瓣上的“玄机”

别看我们肉眼看到的植物的花瓣好像非常光滑，在科学家们的显微镜下，其实它们有着非常复杂的微结构。

几乎所有的植物的花瓣和叶子都具有疏水性，这得益于其表面覆盖的蜡层，而莲花的花瓣更胜一筹，它的蜡层不仅能疏水还能除尘——这就是莲花“出淤泥而不染”的奥秘。在莲花花瓣上，石蜡分子排列成一个个大约五分之一毫米高的锥形塔，一个个小塔顺着花瓣螺旋排布成复杂的分形图案。当水滴落到莲花花瓣上时，它根本无法“站稳”，而是在锥形塔间徘徊，慢慢积聚成更大的球形液滴。这些液滴在花瓣上滚动，沿途像拖地一样将花瓣上的污垢扫在一处，最后液滴带着污垢滑落到地上。

石蜡分子层的作用不仅如此。花瓣与蝴蝶翅膀一样都是姹紫嫣红、五彩缤纷的，之所以会这样，除了它们本身含有多种色素外，还与其表面石蜡分子的微结构有关。将蝴蝶翅膀放大5000倍，我们能看到一幅波澜壮阔的“地形图”：“山脊”“沟壑”和“河流”应有尽有，这正是蝴蝶鳞片堆叠出的形状。鳞片堆叠出眼点、条纹和渐变等图案，在光线的强弱和角度变化下，还会折射出绚烂的色彩。花瓣也不遑多让，不同種类的花瓣的石蜡分子排列方式各不相同，分子间隙也不一样，因此，光线在花瓣上发生的折射和衍射现象也不同，这样万紫千红的鲜花就出现了。

花瓣操纵蜜蜂

花瓣的微结构为什么这么复杂，只是为了“爱美”吗？其实，花朵们之所以长得这么妖娆多姿，并不是为了让人类欣赏和赞美的，它们只是在“操纵”蜜蜂。

蜜蜂是帮助植物传粉的最大功臣，如果蜜蜂灭绝了，整个生态系统可能很快就会崩溃。而在多年的互助互利的生活中，植物们学会了用花蜜利诱蜜蜂外的更好方法，那就是“光控”——通过调光改变花色来指挥蜜蜂，这也是针对蜜蜂的视觉系统进化来的。

蜜蜂与人类相似，是三色视者，不同的是人能看到的色彩由红色、蓝色和绿色组合而成，而蜜蜂将颜色划分为紫外线、蓝色和绿色。由于这点不同，花朵倾向于变成蓝紫色，即使没有相应的色素，也会改变结构发出更多的蓝紫色。由此，一些鲜花也衍生了仅能被蜜蜂看见的美丽图案，比如在紫光灯下，向日葵、报春花和紫罗兰的花瓣上就出现了更加繁复的图案，这些图案能让蜜蜂在万花丛中一眼将它们区分出来。

蜜蜂也比人类更快地看到颜色，它们的色觉是动物世界中最快的，比人类快五倍。在高速飞行中，我们可能难以区分不同的花朵，但蜜蜂却可以看清每一朵花。而且，在蜜蜂不停移动的过程中，花瓣会根据角度而改变颜色，蜜蜂看到了这些因为变色而像在闪光的花瓣，就像接收到了花瓣发出的信号：我有甜蜜的花蜜，快来啊！于是，蜜蜂义无反顾地向着花朵飞去，花也实现了授粉的需求。

花朵确实利用光线和花色给蜜蜂发出了信号，在多年的演化下，蜜蜂也早就将这些信号与花蜜联系在了一起。英国剑桥大学的研究人员做了一个实验，他们用塑料片制作了两种人造花，一种“花”呈现出彩虹色，另一种则仿照真花发出蓝绿或蓝紫色的光晕，在这两种“花”的附近都放上了一小盏糖水，观察蜜蜂的去向。蜜蜂很快就发现，从笼子中出来后它们就可以自由“采蜜”，飞到“花”的附近就能喝上甜甜的“花蜜”。即使两种“花”的糖水完全相同，当两种“花”同时出现时，蜜蜂还是第一时间飞向了蓝紫色的“花”。

调光技术高超

植物对光的调控可谓是炉火纯青，除了操纵蜜蜂外，它还是最能“捕获”太阳光的生物。

生物物理学家格里高利·恩格尔观察过光合作用的全过程。他将一种原始的光合生物绿硫菌冷却到-195℃，在这种情况下，绿硫菌所有的生化过程活跃度都会下降到最低点，有利于对光合作用的观察。然后用波长极短、能量很高的激光脉冲对其进行照射，通过操纵激光，研究人员可以跟踪细菌光合作用过程中的能量流。

结果表明，在光能捕获的过程中，光就像一个“迷路”的孩子，穿越叶绿体“迷宫”时会沿着两条以上的路线出发，但每个方向都会撞上沿途的色素粒子，这些粒子会将一束束光波带到最终的反应区域。叶绿体的这种工作模式在植物身上比比皆是，大大增强了植物捕获光的能力，在所有照射到植物身上的光线中，植物可“锁住”大约95%的光能，并将其转换为化学能，该过程反应时间仅为千万亿分之一秒，甚至更少。

而人类利用太阳光的效率与植物相比则逊色不少——迄今为止记录到的太阳能电池的最大效率为33.7%。之所以会这样，很大一个原因就是太阳能在电池板内传递的过程中不断被转化成热能消耗掉了。

向植物学习也许是一个好方法，吉林大学的一个研究小组利用生物技术做了一个完整的“叶绿体”，然后通过光谱分析和电镜观察等方法，确认它发挥着与天然叶绿体相同的能量转移功能。未来，这种人造叶绿体可以作为能量传递的一分子，被安装到太阳能板上。

当我们还在纠结如何运用和调控光时，不妨看看植物，毕竟它们运用光的历史比我们早了好几亿年。

（摘自《科学之谜》2021年第2期）