砗磲（chē qú）是种美丽而惊人的生物。这种色彩鲜艳的生物通常生活在岩石或者珊瑚上，同时，它们身上也藏着许多惊人的特征。

科学家发现，这种生物竟然是地球上最高效的太阳能系统。在一项发表于《PRX：能源》上的新研究中，一个研究团队特别考察了西太平洋帕劳浅水区的砗磲，并根据它们的几何形状、运动和光散射特性，提出了一个用于确定光合系统最大效率的分析模型。他们发现，砗磲具有一种精确的几何形状，让太阳能转换效率比任何已有的太阳能电池板技术都要高。

共生藻类

砗磲是一种光合共生的生物。它们的身体也是单细胞共生藻的栖息地。成年砗磲是静止不动的，大部分营养都来自藻类。

这些藻类生活在砗磲的内部组织，一直延伸到壳的边缘，排列呈垂直的圆柱体。白天，砗磲会张开拥抱阳光，让藻类进行光合作用。光通过表面的半透明细胞层虹彩细胞的散射，然后穿过藻柱。光合作用细胞几乎可以将每一个进入的光子转化为可用的能量。

(a) 帕劳珊瑚礁上的一只砗磲。(b) 一个小的番红砗磲（Tridacna crocea）个体，左侧有定向强光照射。在这种非对称的光照下，左侧虹彩细胞变得透明，显示出了规则的藻类阵列，组成垂直的圆柱阵列。（图/Holt et al，PRX Energy）

根据砗磲的几何形状，研究团队建立了一个分析模型来计算量子效率，也就是它将光子转化为电子的能力。他们根据热带地区典型的一天日出、正午日照强度和日落情况，将日照波动的因素考虑在内，估算了系统在不同光照强度和几何形状下的总体光合生产力。

他们还探究了藻类细胞的两种不同排列方式，一种是随机分布在整个体积中，另一种像真正的砗磲一样，集中成由透明组织分隔的窄柱。

(a) 光在随机排列的共生藻层中传播的概念图。(b) 光在一个简单的圆柱模型中传播的概念图，圆柱壁上的每个细胞都有相同的光强。（图/Holt et al，PRX Energy）

分析认为，柱状组织的采光效率通常更高，在某些情况下至少高出10倍。这种优势在于，半透明细胞层散射光线的方式是一种水平扩散，研究人员称之为“稀释”。这让藻柱的垂直表面能获得均匀的光照，也就是说，每个藻类细胞都能感受到几乎相同的光照强度，组织深处也能进行高效的光合作用，以最有效的速率吸收阳光。

相比之下，随机排列会导致大部分光被最浅的层吸收，而较深层的藻类吸收的光线则非常少。半透明层和柱状排列的组合使量子效率达到了43%。

但随后，他们又发现了一个新的问题：砗磲会根据阳光的变化伸展自己的身体。这种伸展会让那些垂直柱体间的距离变远，变得更短、更宽。

触摸砗磲会让它血压升高，组织膨胀。这种膨胀导致藻柱从密集（左上图）变稀疏（右上图）。藻柱间的距离在一分钟内增加了50%。下图放大了一小块区域，显示了密集态（蓝色）和稀疏态（红色）下藻柱的位置，揭示了藻柱扩张的过程。砗磲有可能利用这种膨胀-缩小的能力来应对白天光量的变化，从而优化藻类的太阳能转换效率。（图/Holt et al，PRX Energy）

根据这些新的信息，动态的砗磲模型的量子效率跃升至67%。相比之下，热带环境中绿叶系统的量子效率仅仅只有14%。

研究还进行了一个有趣的对比。北方云杉林周围往往环绕着起伏不定的云雾层，它们与砗磲具有相似的几何形状和光散射机制，只是规模要大得多，就像一种“放大版”。而这个系统的量子效率与砗磲也几乎相同。

自然界的生物机制

这其实是团队一系列研究中的最新成果。这些研究都强调了自然界的生物机制，希望为新型的可持续材料和更高效的可持续能源技术提供灵感。

比如，也许可以设想新一代的太阳能电池板，它可以让藻类生长，或者用一种弹性材料制成的价格低廉的塑料太阳能电池板。

参考来源：

https://news.yale.edu/2024/06/28/giant-clams-may-hold-answers-making-solar-energy-more-efficient

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.3.023014

https://physics.aps.org/articles/v17/106

封面图&首图来源：David Witherall and Sarah Davies CC BY 3.0