ScienceDaily — 來自美國伊利諾大學的研究人員建構出了一種 “優生種” 植物，讓它可以在不需要額外的肥料狀態下也能產生更多的樹葉與果實。研究人員透過電腦模擬出演化的程序，這也算是完成了一項創舉。這也是第一個模擬出光合作用過程中每一個步驟的模型。
圖1. In a computer model, researchers at Illinois were able to simulate the photosynthetic behavior of actual leaves. Here, a gas exchange system measures the rate of carbon dioxide and electron transport in intact leaves. (Credit: Photo by Don Hamerman)
光合作用（Photosynthesis）在許多植物、藻類、浮游生物以及某些細菌與古生物種（archaea）當中是一種將光能轉換成化學能量的過程。植物的光合作用牽扯到複雜的化學反應，當中需要數十種蛋白質酵素以及化學成分的參與。大多數的光合作用都發生在樹葉的部位。
圖2. 光合作用中的克氏循環（Calvin-cycle）（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Calvin-cycle3.png）
「我們必須要問的一個問題是，以生產力來說，我們有可能做出比植物更好嗎？」本研究的主要主持人，同時也是伊利諾大學植物生物學教授 Steve Long 這樣說到。
圖3. principal investigator Steve Long, a professor of plant biology and crop sciences at Illinois.
如果要透過實際的植物去解開這個問題當中的每一個步驟，那可是天方夜譚，Long 說到。因為在光合作用的過程當中超過了一百種以上的蛋白質牽涉其中，如果要去一一加以試驗，即便傾家蕩產、頭髮斑白也做不到。
「不過現在透過 “矽晶片” 我們便能仿造光合作用的過程，然後我們可以在超級電腦中檢驗所有可能的排列。」他說到。
這是首次有研究人員建構出可信賴的光合作用模型，它可以精確的模擬出環境變化對光合作用所造成的回應。這樣一個艱鉅的任務，則必須仰賴國家超級電腦應用中心（National Center for Supercomputing Applications）裡面的先進設備才能達到。
圖4. New NCSA Building UIUC by Ragib
在中心裡面，有一位生物學家，Xin-Guang Zhu，他與 Long 及 Eric de Sturler 一起共事，他之前是伊利諾大學裡面的電腦科學領域裡負責電腦數值運算的技師，負責將模型視覺化。
在確認了參與光合作用中每一個蛋白質之後，研究人員便創造出一系列不同連結的方程式，每一個均可模擬單一光合作用的步驟。研究團隊測試並調整模型，直到可以成功的預測出真實樹葉中實驗的結果為止，包含他們受環境變化時所產生的動力學回應（dynamic response）等等。
接著研究人員將模型程式化，並隨機的更動光合作用程序當中個別酵素的層級。
以穀類植物，如小麥來說，他會產生穀粒，在大多數的氮氣被轉換成樹葉的光合作用的蛋白質。而我們卻無法為植物添加更多的氮氣，Long 說到，因此研究人員便問一個簡單的問題：「對同樣的路徑來說，我們有可能比植物做的更好嗎？比如將固定氮的數量投資到其他不同的光合作用蛋白質身上？」
使用「進化演算法（evolutionary algorithms）」，它可以藉由我們所需要的特性模擬演化過程，透過模型來追蹤酵素 ─ 如果增加 ─ 還可以使植物的生產率提高。如果光合作用的效率因為某一種酵素的濃度相對較高而提高，那麼模型所使用的那個實驗結果便可成為用來檢驗下一個世代的母代。
這個程序確定了數種蛋白質，如果這些蛋白質相對其它而言存在較高濃度時，可以提高植物的生產效率。這一個新發現與其他研究學者所得到的結果一致，這些研究人員發現當把基因植物內含的這些蛋白質其中之一給提高時便會提升其生產率。
「藉由重排氮元素的投資後，我們甚至可以將效率提升兩倍。」Long 說到。
一個顯而易見的疑問便是為什麼植物的生產效率可以被如此大幅度的提升？Long 說到。為什麼植物沒有演化到如此的高效率呢？
「答案也許便是正當我們所做的選擇是朝增加生產力時，演化天擇卻是留給生存與繁殖，」他說到。在模型中的改變暗示著野生植物的生長或許備受威脅，但我們的分析則希望他們能夠在農場中得以生生不息。
本研究已可以在十月份的《植物生理學》（Plant Physiology）期刊中找到，這個研究將在 2007 年 11 月 9 日於泰國曼谷舉辦的 BIO-Asia 2007 研討會中發表。本研究是由美國國家科學基金會（National Science Foundation）贊助。
Adapted from materials provided by University of Illinois at Urbana-Champaign.
原始報導：
1. ScienceDaily：Scientists Successfully Simulate Photosynthesis And Design A Better Leaf
2. http://www.news.uiuc.edu/news/07/1109photosynthesis.html