巧妙"破解"光合作用 为可再生能源的突破铺平道路
发布日期：2023/3/27
研究人员已经"入侵"了光合作用的最早期阶段，光合作用是为地球上绝大多数生命提供动力的自然机器，并发现了从该过程中提取能量的新方法，这一发现可能催生清洁燃料和可再生能源的新方法。
由剑桥大学领导的一个由物理学家、化学家和生物学家组成的国际团队能够在活细胞中以超快的时间尺度研究光合作用--植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程：百万分之一秒。
尽管它是地球上最知名和研究最充分的过程之一，研究人员发现光合作用仍然有秘密可言。利用超快光谱技术研究能量的运动，研究人员发现能够从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段就这样做了，而不是像以前认为的那样在很久以后。光合作用的这种"重新布线"可以改善它处理过剩能量的方式，并创造出新的和更有效的使用其能量的方法。这一结果于3月22日在《自然》杂志上报告。
尽管光合作用是一个广为人知且被广泛研究的过程，剑桥大学的研究人员发现它仍有隐藏的秘密。通过采用超快光谱技术，他们发现从负责光合作用的分子结构中提取电子发生在比以前假设的更早的阶段。光合作用的这种"重新布线"可能会导致更好地管理过剩的能量，并开发出新的、更有效的方法来利用其潜力。
剑桥大学优素福-哈米德化学系的Jenny Zhang博士说："我们对光合作用的了解并不像我们想象的那样多，我们在这里发现的新的电子转移途径完全令人惊讶。"他负责协调这项研究。
虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用它来帮助解决气候危机，例如，通过模仿光合作用过程，从阳光和水产生清洁燃料。
张和她的同事最初试图了解为什么一种叫做醌的环形分子能够从光合作用中"偷"走电子。醌在自然界中很常见，而且它们可以很容易地接受和送出电子。研究人员使用一种叫做超快瞬时吸收光谱的技术来研究醌在光合作用蓝细菌中的表现。
一个国际科学家小组以百万分之一秒的超快时间尺度研究了活细胞中的光合作用。尽管得到了广泛的研究，光合作用仍然隐藏着未被发现的秘密。通过采用超快光谱技术，研究小组发现，化学物质在比以前认为的更早的阶段从参与光合作用的分子结构中提取电子。这种"重新布线"可以加强该过程对多余能量的处理，并产生新的、有效的方法来利用其力量。
张说："没有人正确地研究过这种分子如何在光合作用的早期阶段与光合作用机器相互作用：我们以为我们只是用一种新技术来证实我们已经知道的东西。相反，我们发现了一个全新的途径，并进一步打开了光合作用的黑盒子。
使用超快光谱观察电子，研究人员发现，发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是"泄漏的"，允许电子逃逸。这种泄漏性可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的损害。
"光合作用的物理学令人印象深刻，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的托米-贝基说，"通常情况下，我们在高度有序的材料上工作，但观察电荷在细胞中的传输为新发现大自然如何运作提供了非凡的机会。"
"由于来自光合作用的电子分散在整个系统中，这意味着我们可以接触到它们，"共同第一作者劳拉-韦博士说，她在生物化学系从事这项工作，现在在芬兰图尔库大学工作。我们不知道这一途径的存在这一事实令人振奋，因为我们能够利用它为可再生能源提取更多的能量。"
研究人员能够在光合作用过程的早期操纵光合作用途径从太阳产生清洁燃料时，可以使该过程更加有效。此外，调节光合作用的能力可能意味着可以使农作物更能够忍受强烈的阳光。
许多科学家曾试图从光合作用的早期阶段提取电子，但说这是不可能的，因为能量是如此埋没在蛋白质支架中，张说。"我们可以在更早的过程中偷取它们，这一事实令人震惊。起初，我们认为我们犯了一个错误：我们花了一段时间来说服自己我们做到了。"
这一发现的关键是使用了超快光谱学，它使研究人员能够在飞秒级--万亿分之一秒--上跟踪活体光合细胞中的能量流动。
共同作者、生物化学系的克里斯托弗-豪（Christopher Howe）教授说："使用这些超快方法使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，而地球上的生命正是依赖于此。"
来源：今日头条
