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在植物细胞中启动光合作用只需要四个光粒子，但研究人员一直未能了解在吸收第四个光子后究竟发生了什么的细节  两个研究小组揭示了光合作用过程中氧气如何形成的微观细节，光合作用是植物、藻类和一些细菌利用阳光产生生长所需能量的过程。在这个层面上了解光合作用可以促进清洁燃料的开发。 研究人员此前知道，只需四个连续的光粒子或光子撞击植物内的分子结构即可启动光合作用。这些光子被一簇锰、钙和氧原子吸收，然后分解植物的水分子，释放水中的氧气。但是，几十年来，研究人员一直未能详细了解第四个光子撞击该星团后究竟发生了什么。两个实验现在已经填补了其中的一些。 加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的 Jan Kern 和他的同事使用高能 X 射线脉冲捕获了光合作用的微观细节。他们将从蓝绿藻中提取的分子簇排列在传送带上，以便首先用可见光脉冲照射它们，从而为它们提供开始分解水所需的光子。然后 X 射线捕获了过程中原子的排列。 在被第四个光子击中后，一种称为光系统 II （PSII） 的蛋白质复合物在百万分之几秒内分解水分子。X 射线的速度足够快，可以显示水分解与最终可能释放到大气中的一种氧分子形成之间的时间延迟——两者并不重合。但是在这两个步骤之间拍摄的 X 射线图像不够清晰，无法显示氧原子的确切构型。 然而，PSII 分子其他部分围绕这些氧原子的排列表明氧形成了一些新结构。在这个阶段，氧原子不像在水中那样与氢结合或聚集在一个更大的氧分子中，而是可能短暂地与 PSII 的另一部分结合。克恩说，光合作用过程的这一步以前只是理论上的。 柏林自由大学的 Holger Dau 和他的同事们也专注于水分解过程的尾端，但他们没有拍摄原子的 X 射线图像，而是使用红外光来确定电子和质子如何在原子之间移动。他们从 40 公斤新鲜菠菜中提取出 PSII，用可见光光子照射后，用红外线照射。 当 PSII 吸收红外辐射时，每个波长都与特定键的振动相关。研究人员将这些测量结果与意大利拉奎拉大学 Leonardo Guidoni 及其团队进行的光合作用期间电子和质子移动方式的计算机模拟相结合。这揭示了该过程中一个关键的新步骤，其中三个质子在氧原子和 PSII 的其余部分之间交换一个电子。 同样在劳伦斯伯克利国家实验室工作的 Philipp Simon 说，一些 X 射线快照甚至暗示这种质子运动可能在水分解过程的最后阶段发生两次。两个团队都希望在未来通过使用更快的 X 射线、更清洁的 PSII 样本和更多的红外光来发现更多细节。Guidoni 说，这些研究光合作用的方法是互补的。“我们从所有实验中获得的数据越多，我们就越接近完成流程的每一个小步骤，”他说。 德国马克斯普朗克煤炭研究所的 Dimitrios Pantazis 说，了解光合作用过程中的水分解对于开发将水转化为氢燃料的设备也很重要。“我们无法直接复制生物系统，但它是我们所知道的唯一能够如此有效地分解水的系统。因此，我们需要揭开经过数十亿年进化而来的所有水分解技巧，”他说。 |
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