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SCIENCE: 一种新型的光合作用（附原文） 据海莉·邓宁（Hayley Dunning）报道，英国、法国、意大利以及澳大利亚的研究人员合作发现了一种新型的光合作用——靠近红外光进行光合作用，相关研究成果于2018年6月15日在《科学》（Science）杂志网站发表—— Dennis J. Nürnberg, Jennifer Morton, Stefano Santabarbara, Alison Telfer, Pierre Joliot, Laura A. Antonaru, Alexander V. Ruban, Tanai Cardona, Elmars Krausz, Alain Boussac, Andrea Fantuzzi, A. William Rutherford. Photochemistry beyond the red limit in chlorophyll f–containing photosystems, Science, 15 Jun 2018, Vol. 360, Issue 6394, pp. 1210-1213. DOI: 10.1126/science.aar8313. 参与此项研究的研究人员分别来自英国伦敦帝国理工学院生命科学系(Department of Life Sciences, Imperial College London)、伦敦玛丽皇后大学（Queen Mary University of London）;澳大利亚国立大学（ANU）化学学院、意大利国家研究委员会（Consiglio Nazionale delle Ricerche）、法国巴黎第六大学（Université Pierre et Marie Curie）以及法国生物科学研究所（Institut de Biologie Intégrative de la Cellule）。 图1是澳大利亚的赫伦岛（Heron Island, Australia）海滩岩石的横截面图片。它显示了在岩石表面之下几毫米处含有叶绿素f的蓝色菌（图片中的绿带）。 Fig. 1 Cross-section of beach rock (Heron Island, Australia) showing chlorophyll-f containing cyanobacteria (green band) growing deep into the rock, several millimetres below the surface. Credit: Dennis Nuernberg 这一发现改变了我们对光合作用基本机制的理解，教科书中的相关内容应该重写；它还将调整我们寻找外星生命的方式，并为如何设计更高效的作物品种提供了参考，因为这些新品种作物可以利用较长波长的光进行光合作用。 这一发现由伦敦帝国理工学院研究人员领导的，并得到了BBSRC的支持，还包括来自澳大利亚首都堪培拉的ANU（ANU in Canberra）、法国巴黎的法国科学研究中心（CNRS）、澳大利亚米兰的CNR等机构。 地球上绝大多数的生命都在光合作用过程中使用可见光，但这种新类型光合作用使用的是近红外光。 它广泛存在的蓝藻细菌即蓝绿藻（cyanobacteria，blue-green algae)）中，在荫蔽条件下，它们也可以借助近红外光生长，如黄石公园的细菌垫（bacterial mats in Yellowstone）和澳大利亚的海滩岩上就有这种藻类。 正如科学家们现在所发现的，它甚至也发生在伦敦帝国理工学院的一个装有红外LED的碗柜里。 超越红色极限的光合作用除了红色限制之外的光合作用，标准的、近乎普遍的光合作用使用绿色颜料即叶绿素a（ chlorophyll-a），既能收集光线，又能利用其能量制造有用的生物化学物质和氧气。 叶绿素a吸收光的方式意味着只有来自红光的能量才能用于光合作用。 由于叶绿素a存在于我们所知的所有植物、藻类和蓝细菌中，人们认为红光的能量为光合作用设定了“红色极限”；也就是说，制造氧气的相关化学反应所需的最低能量。 在天体生物学中，红色极限被用于天体生物学，来判断复杂的生命是否可以在其他太阳系的行星上进化。 然而，当一些蓝藻细菌在近红外光下生长时，含有标准的叶绿素a系统关闭了，不同的系统包含了不同种类的叶绿素，叶绿素-f（chlorophyll-f）代替叶绿素a进行光合作用。 直到现在，人们还认为叶绿素-f只是获得了光。 新的研究表明，在荫蔽或者光线较暗的条件下，叶绿素-f在光合作用中起着关键作用，利用低能量的红外线来进行复杂的化学反应，这就是“超越红色极限”的光合作用。 来自英国伦敦帝国理工学院生命科学系的首席研究员比尔·卢瑟福（Bill Rutherford）教授说：“新的光合作用形式让我们重新思考我们认为可能的事情。它还改变了我们对标准光合作用核心的关键事件的理解。这使得教科书上的相关内容也需要修改了。” Fig. 2 Colony of Chroococcidiopsis-like cells where the different colours represent photosynthesis driven by chlorophyll-a (magenta) and chlorophyll-f (yellow). Credit: Dennis Nuernberg 图2是类拟色球藻属（Chroococcidiopsis-like）细胞的克隆图片。其中不同颜色代表由叶绿素a（品红色）和叶绿素f（黄色）驱动的光合作用。 防止光损害另一种蓝藻细菌—— Acaryochloris，已经被认为可以利用红色极限之外的光线进行光合作用。 然而，由于它只存在于这一物种之中，具有一个非常特定的栖息地，它被认为是“一次性的”。. Acaryochloris生活在一种绿色的海鞘下，大部分可见光被遮挡，只留下近红外线。 丹尼斯·纽伦堡（Dennis J. Nürnberg）等人在《科学》杂志报道的叶绿素光合作用是第三种广泛的光合作用。 然而，它只在特殊的红外阴影条件下使用；在正常的光照条件下，使用标准的红色光进行光合作用。 人们认为光的伤害会比红色限制更加严重，但是新的研究表明，在稳定的隐蔽环境中，它不是一个问题。 该研究的作者之一，来自英国伦敦帝国理工学院生命科学系的安德里亚·凡图齐（Andrea Fantuzzi）博士说：“找到一种超出红色界限的光合作用，改变了我们对光合作用能量需求的理解，也提供了对光能量利用的新认识以及这些蓝细菌如何保护自己不受光线亮度变化所造成伤害的机制。” 这些见解对于试图通过使用更大范围的光来设计作物，以便进行更有效的光合作用的研究人员来说是有用的。 修订教科书内容在新系统中，可以看到比以前在标准叶绿素a系统中看到的更详细的信息。 通常被称为“附属”的叶绿素，实际上是在执行关键的化学步骤，而不是教科书所描述的在配合体中心里的叶绿素“特殊的配对”。 这表明这种模式适用于其他类型的光合作用，这将改变教科书中关于光合作用的主要形式的观点。 该研究的第一作者、同时也是此项研究的发起人丹尼斯·纽伦堡博士说：我不认为我对蓝藻细菌及其多样化生存方式的兴趣会使我们对光合作用的理解发生重大改变。在大自然中仍在等待被发现的东西是令人惊奇的。 英国广播公司的前沿生物科学研究中心的彼得·伯林森（Peter Burlinson）说：这是光合作用的一个重要发现，此过程在养活世界的作物的生物学中起着至关重要的作用。像这样的发现突破了我们对生命的理解，比尔·卢瑟福教授和英国伦敦帝国理工学院的研究团队应该得到祝贺，因为他们揭示了光合作用基础过程的一个新视觉。 |
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