《自然系统》,探索自然系统的奥秘——从地表能量平衡到生物长距离质子传递

探索自然系统的奥秘——从地表能量平衡到生物长距离质子传递

地表能量平衡与全球变暖的关系

全球变暖是当前气候变化研究的核心话题。自工业化以来，温室气体排放量显著增加，特别是大气中二氧化碳浓度急剧上升，导致全球平均气温持续升高。这一变化在过去几十年中尤为明显，近10年全球平均气温上升超过1.2℃ ~1.3℃，从而引发一系列与气候相关的问题，如冰川加速融化、海平面上升和极端天气事件增加。

为更好地理解这些变化背后的机制，研究地球的能量收支（EEI）已成为焦点。温室气体增加改变了地球的辐射平衡，将更多能量困在地球系统内。尽管卫星观测大大提高了科学家对大气层顶部辐射通量的理解，但迄今为止，由于缺乏精确的地表观测数据，以及地表能量收支分量的变量较多等因素，导致已有的从地表辐射平衡角度估计EEI仍存在相当大的不确定性。

提高观测数据精度和优化研究方法

为了应对这些挑战，研究团队从提高观测数据精度和优化研究方法两方面入手，进行地表EEI优化。目前最先进的气候系统模型如CMIP6，在模拟地表能量平衡方面取得了显著进展。然而，这些模型仍需进一步改进，以更准确地反映地表能量收支的复杂性。

通过结合卫星观测数据、地面观测数据和气候模型，科学家们可以更全面地了解地表能量平衡的变化。此外，优化研究方法，如引入新的观测技术和数据处理算法，也有助于提高地表能量平衡研究的精度。

生物长距离质子传递动力学研究

生物长距离质子传递在多种生化系统中的催化过程中起着核心作用，包括生物能量转换和代谢中的化学转化。然而，这些复杂生化反应的准确计算处理非常具有挑战性，需要应用多尺度方法，特别是结合自由能模拟的量子/经典（QM/MM）混合方法。

文章中提到的QM/MM方法，通过自适应和聚焦抽样技术，对生物系统中的长距离质子传递动力学进行了多尺度模拟。特别是，结合多重漫步者/温和的元动力学和扩展系统自适应偏置力方法（MWE）来探索复杂生化系统中水介导的质子传递反应。

QM/MM方法在生物长距离质子传递动力学中的应用

研究者比较了几何（质子传递距离的线性组合）和物理（过量电荷中心）反应坐标，展示了这些反应坐标如何影响势能平均力（PMF）和活化自由能的收敛。研究发现QM/MM-MWE方法能够有效地探索呼吸链复合体I中高度复杂的质子通道中的直接和水介导的质子传递路径，以及正向和反向的空穴传递机制。

通过结合两种方法的优势，QM/MM-MWE/聚焦US（FUS）方案恢复了多条质子传递路径，为生物长距离质子传递动力学的研究提供了新的思路。

自然系统研究的未来展望

总之，从地表能量平衡到生物长距离质子传递，自然系统的研究为我们提供了丰富的科学知识。在未来的科学探索中，我们期待更多突破性的发现，为人类社会的可持续发展贡献力量。