林格氏液的作用 这张光合作用能量转移的动图 终结了科学家几十年来的争论
使用超快速成像技术,科学家首次确定了光合作用中几个关键步骤的进行速度。这一发现将有助于科学家了解大自然是如何完成光合作用的,并且将推动人工“复制”光合作用的进程。
众所周知,在光照射下,植物通过光合作用将水和二氧化碳转化成有机物。
该过程的一个重要环节是利用光能将水分解成氧气和氢气。这一过程是通过名为“Photosystem II”的酶完成的。光能被植物的“天线”系统俘获之后,被传递到的酶反应中心,并在这里剥离水分子中的电子。这种将激发能转化为化学能的过程称为“电荷分离”,是分解水的第一步。
在此之前,人们普遍认为光合作用的“瓶颈”是“电荷分离”,而不是能量沿着天线传递的过程。电荷分离是整个光合作用中最慢、最耗时的环节。
2001年科学家确定了Photosystem II酶的结构。此后,有人提出质疑,认为事实上能量转移才是光合作用中最慢的。但这一假说一直没有得到实验证实。
光合作用基本单元中能量的再分配及传递过程。来源:伦敦帝国理工学院 Marius Kaucikas 博士
现在,来自伦敦帝国理工学院和奥地利约翰内斯开普勒大学的科学家们使用超快速成像系统对Photosystem II中的电子激发过程进行追踪,成功证实了在光合作用中最慢的步骤实际上是植物吸收光并将能量转移到达酶反应中心的过程。
对光合作用的进一步理解无疑将推动研究人员“复制”光合作用来生产绿色燃料。来自帝国理工生命科学学院的研究员托尔(Jasper van Thor)博士说:“我们现在可以使用 '超快速晶体测量'这一新技术探索大自然将光能转化为燃料的过程。这一利器将帮助我们回答很多问题,诸如大自然是如何优化能量转换效率的?我们是否可以模仿,甚至调整人工光合作用的过程,使之超越自然界的光合作用效率?”
奥地利约翰内斯开普勒大学理论生物物理系的合作作者托马斯·林格(Thomas Renger)博士补充说:“八年前我们提出的能量转移模型是基于结构计算的,但是再精确的模型也无法全方位描述如此复杂的光合系统。帝国理工托尔研究室的新技术让我们消除了疑虑,并证实了我们当初的预测完全正确。”
现在,研究人员可以确定究竟哪个步骤更快。事实上,两个步骤发生的速度都非常快:整个光合过程只需要几纳秒(十亿分之一秒),而能量转移和电荷分离单个步骤的耗时只有几皮秒(万亿分之一秒)。
在0时间点,特定激发状态下光合作用基本单元的旋转视图。来源:伦敦帝国理工学院Marius Kaucikas博士
研究人员使用十分复杂的激光系统激发PhotosystemII晶体中的反应,然后精确追踪测量被激发电子的运动轨迹和天线及酶反应中心中能量的传递过程。
正如动图中显示的那样,实验结果证明了水分解反应中电荷分离的速度是相对较快的,而光收集和转移过程相对较慢。
托尔博士补充说:“现在,我们终于有了实验数据支持,证明我们在上世纪90年代本科时期学习的关于光合作用瓶颈的模型是不正确的。”
