科学家用特殊的镜子“囚禁”光线以促进光合作用

科学家用特殊的镜子“囚禁”光线以促进光合作用光合作用是植物将太阳光、二氧化碳和水转化为化学能的过程。人工形式的光合作用可能通过使用太阳能电池和电解器将水分裂成氢气，或通过半透明材料塑造成人工叶子，通过化学反应将阳光转化为能量来重现这一过程。当涉及到为生物体内的光合作用加速时，我们也看到了有希望的进展，例如特殊的电极设计可以提高光合作用细菌的能量收集能力。隆德大学的新研究遵循类似的思路，科学家们利用光合紫色细菌的光收集机制进行研究。这些复合物由蛋白质和叶绿素分子组成，它们将光能转移到另一个被称为反应中心的复合物上，后者反过来驱动生物体的细胞代谢。这些"天线"复合物被放置在两个光镜之间，这两个光镜的间距仅为纳米级别。该团队的实验示意图，涉及光合紫色细菌的镜子和采光复合物图像来源/TönuPullerits隆德大学化学物理学教授TönuPullerits说："我们将所谓的光合作用天线复合物插入两面镜子之间，这两面镜子作为一个光学微腔，相距仅几百纳米。可以说，我们以一种囚禁的方式抓住了在镜子之间来回反射的光线。"通过激光光谱学研究这一过程，科学家们观察到反射的光和天线复合物之间更强的相互作用，反过来又"大大延长了激发状态的寿命"。这反过来可以产生一种涟漪效应，加速能量的转移，最终使光合作用的关键因素之一变得更快、更有效。"我们现在已经在一个漫长的旅程中迈出了几个初步的步骤，"Pullerits说。"可以说，我们已经确定了一个非常有希望的方向。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333931.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333931.htm

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约20个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在X射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1秒的1000万亿分之一)的X射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过X射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源，图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA”频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

科学家通过人工光合作用利用阳光制造出可生物降解的塑料

科学家通过人工光合作用利用阳光制造出可生物降解的塑料利用太阳光为光氧化系统提供动力，丙酮酸和CO¬2被苹果酸脱氢酶和富马酸酶转化为富马酸由人工光合作用研究中心的YutakaAmao教授和大阪市立大学研究生院的研究生MikaTakeuchi领导的研究小组，已经成功地从二氧化碳中合成富马酸，这是一种塑料原料，这也是首次由阳光驱动来生成的材料。他们的研究结果发表在《可持续能源与燃料》上。富马酸通常是从石油中合成的，用作制造可生物降解塑料（如聚丁二酸）的原料，但这一发现表明，富马酸可以利用可再生的太阳能从二氧化碳和生物质衍生化合物中合成。"为了实现人工光合作用的实际应用，这项研究成功地使用了可见光-可再生能源-作为动力源，"Amao教授解释说。"在未来，我们的目标是收集气态二氧化碳，并通过人工光合作用直接合成富马酸"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343733.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343733.htm

利用人工光合作用种植作物

利用人工光合作用种植作物光合作用通常是指绿色植物吸收光能后，把二氧化碳和水转化为有机物（包括可供食用的部分）和氧气。但这个过程的能量效率非常低——只有约1%的太阳能会被植物利用。近日，通过一种人工光合作用的方法，将二氧化碳和水转化为了食物。研究人员利用的是他们自主开发的两步串联电解装置，以及两步电催化方法：首先将二氧化碳和水转化为醋酸盐，然后在黑暗环境下培养可制造食物的生物体，这些生物体能够通过“吃”醋酸盐来繁殖。其中，电能是利用太阳能电池板产生的。研究人员表示，这种有机-无机混合系统可以将能量转化效率（太阳能到“食物”）最多提升到植物的18倍。他们还探究了利用该技术种植农作物的潜力，结果发现，豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆都能在黑暗环境中，使用醋酸盐中的碳来生长。研究人员表示，这种人工光合作用的方式或可以用在城市中以便种植作物，或用于未来的太空探索。

中国科学家的发现可能极大地改变我们对光合作用机制的理解

中国科学家的发现可能极大地改变我们对光合作用机制的理解人们普遍认为，二氧化碳的同化是在不依赖光的反应中进行的，例如，通过基质中的卡尔文-本森循环。最新的研究报告描述了光合作用中PSII核心复合体不寻常的光驱动的二氧化碳同化（转化为甲醇）。这一不寻常的发现很可能是与正常的不依赖光的同化作用中发生的通常的电子转移同时发生的。资料来源：《催化学报》同时，人们普遍认为，在依赖光的反应中，CO2（或碳酸氢盐）不作为底物被还原，而是在O2进化中发挥独特的刺激作用，即所谓的"碳酸氢盐效应"。自20世纪70年代以来，人们对碳酸氢盐效应的作用以及PSII中的碳酸氢盐结合点进行了深入研究，迄今已得出一些重要结论。然而，PSII中的二氧化碳（或碳酸氢盐）被认为只在水氧化过程中起辅助作用，而不是被PSII"同化"。最近，一个研究小组首次报告了光驱动的PSII核心复合体的二氧化碳同化作用，其中甲醇（CH3OH）的形成，以及氧气的进化，通过原位质谱、气相色谱和同位素标记实验得到了验证。该团队包括来自大连理工大学、中国科学院大连化学物理研究所和美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科学家。这种不寻常的二氧化碳同化作用很可能是与正常的不依赖光的同化作用中发生的通常的电子转移同时进行的。这一发现非同寻常，具有重大意义，因为它可能大大改变我们对光合作用机制的理解。该成果发表在中国《催化学报》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339301.htm

大自然的量子密码 揭开光合作用的秘密

大自然的量子密码揭开光合作用的秘密"科学界已经做了大量的理论和实验工作，试图了解光子被吸收后会发生什么。但我们意识到，没有人在讨论第一步。"这项研究的共同第一作者、劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）生物科学领域资深科学家、加州大学伯克利分校化学教授格雷厄姆-弗莱明（GrahamFleming）说："这仍然是一个需要详细解答的问题。"在研究中，弗莱明、共同第一作者、伯克利实验室能源科学领域资深科学家比尔吉塔-惠利（BirgittaWhaley）和他们的研究小组表明，单个光子可以启动光合紫色细菌光合作用的第一步。由于所有光合生物都使用类似的过程，并且有着共同的进化祖先，研究小组确信植物和藻类的光合作用也是以同样的方式进行的。"弗莱明说："大自然发明了一种非常聪明的技巧。生命系统如何利用光根据光合作用将阳光转化为富含能量的分子的效率，科学家们长期以来一直认为，只需一个光子就能启动反应，光子将能量传递给电子，电子再与不同分子中的电子交换位置，最终生成生产糖类的前体成分。毕竟，太阳并不能提供那么多的光子--在晴朗的日子里，每秒钟只有一千个光子到达一个叶绿素分子--但这一过程却在整个地球上可靠地进行着。第一作者李全伟是弗莱明和惠利研究组的联合博士后研究员，负责开发新的量子光实验技术。而且，使问题更加复杂的是，揭示光合作用后期步骤精确细节的大量研究都是通过用强大的超快激光脉冲触发光合作用分子进行的。共同第一作者格雷厄姆-弗莱明（左）和第一作者李全伟在他们尖端实验中使用的一些设备附近。图片来源：HenryLam/弗莱明实验室李全伟说："激光和太阳光的强度相差悬殊--典型的聚焦激光束的亮度是太阳光的一百万倍。即使你能产生一束强度与太阳光相当的微弱光束，但由于光的量子特性（即光子统计），它们之间的差别仍然很大。他解释说，由于没有人看到光子被吸收，我们不知道光子被吸收后有什么不同，也不知道它是哪种光子。但是，就像需要了解每个粒子才能构建量子计算机一样，我们需要研究生命系统的量子特性，才能真正了解它们，并制造出产生可再生燃料的高效人工系统。"与其他化学反应一样，光合作用最初也是以批量的方式被理解的--这意味着我们知道总体的输入和输出是什么，并由此推断出单个分子之间的相互作用可能是什么样子的。20世纪70年代和80年代，技术的进步使科学家能够直接研究反应过程中的单个化学物质。现在，科学家们开始利用更先进的技术探索下一个前沿领域--单个原子和亚原子粒子尺度。从假设到事实设计一项能够观测单个光子的实验，意味着要汇集一支由理论家和实验家组成的独特团队，将量子光学和生物学的尖端工具结合在一起。惠利说："这对研究光合作用的人来说是全新的，因为他们通常不会使用这些工具，而对量子光学领域的人来说也是全新的，因为我们通常不会考虑将这些技术应用于复杂的生物系统。"科学家们建立了一个光子源，通过一种叫做自发参量下变频的过程产生一对光子。在每个脉冲中，第一个光子--"预示"--被一个高灵敏度的探测器观测到，该探测器证实第二个光子正在前往从光合细菌中提取的光吸收分子结构组装样本的途中。在样品附近还安装了另一个光子探测器，用于测量光合作用结构吸收原始光子对中第二个"预示"光子后发出的能量较低的光子。实验中使用的光吸收结构b被称为LH2，已被广泛研究。众所周知，波长为800纳米（nm）的光子被LH2中的9个细菌叶绿素分子环吸收，从而将能量传递给第二个由18个细菌叶绿素分子组成的环，后者可在850纳米波长处发射荧光光子。在原生细菌中，光子的能量会继续传递给后续分子，直到用于启动光合作用的化学反应。但在实验中，当LH2s与其他细胞机制分离后，850纳米光子的检测就成为该过程被激活的明确信号。"如果只有一个光子，就很容易丢失。这就是我们使用预示光子的原因。科学家们分析了超过177亿个预示光子探测事件和160万个预示荧光光子探测事件，以确保观测结果只能归因于单光子吸收，而没有其他因素影响结果。我认为第一件事是，这项实验表明，你实际上可以用单个光子做事情。所以这是非常非常重要的一点，"惠利说。"接下来，我们还能做什么？我们的目标是在尽可能短的时间和空间尺度上研究单个光子通过光合复合体进行的能量转移。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378649.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378649.htm