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

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

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

科学家巧妙"破解"光合作用 为可再生能源的突破铺平道路

科学家巧妙"破解"光合作用为可再生能源的突破铺平道路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JennyZhang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（ChristopherHowe）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。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1351213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1351213.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

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”图片显示的是植物RNA聚合酶PEP的高分辨率三维模型，它在光合作用中发挥着核心作用。图片来源：PaulaFavorettiVitaldoPrado和JohannesPauly/MPI-NAT,UMG没有光合作用，就没有空气可呼吸--光合作用是地球上所有生命的基础。这一复杂的过程使植物能够利用太阳光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这一转化过程在叶绿体中进行，叶绿体是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中形成的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合蓝藻。随着时间的推移，这种细菌越来越依赖于它的"宿主细胞"，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和细菌基因组的一部分。因此，叶绿体仍然拥有自己的DNA，其中包含"光合作用机器"关键蛋白质的蓝图。从PEP到能源马克斯-普朗克多学科科学研究所（MPI）研究组组长、哥廷根大学医学中心教授、哥廷根"多尺度生物成像"（MBExC）英才集群成员豪克-希伦（HaukeHillen）教授博士解释说："一种独特的分子复制机器，即名为PEP的RNA聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令。希伦强调说，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的PEP，植物就不能进行光合作用，就会变成白色而不是绿色。"不仅复制过程复杂，复制机器本身也很复杂：它由一个多亚基核心复合体（其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码）和至少12个相关蛋白质（称为PAPs）组成。植物细胞的核基因组为这些蛋白提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所教授ThomasPfannschmidt博士说："到目前为止，我们已经能够从结构和生物化学角度描述叶绿体复制机的一些单独部分，但我们还缺乏对其整体结构和单个PAPs功能的精确了解。"3D详细快照通过密切合作，豪克-希伦（HaukeHillen）和托马斯-普范施密特（ThomasPfannschmidt）领导的研究人员现在首次成功地以3.5埃（比毫米小3500万倍）的分辨率对19个亚基的PEP复合物进行了三维可视化。"我们从植物研究的典型模式植物--白芥子中分离出了完整的PEP，"Pfannschmidt团队的成员、现发表在《分子细胞》（MolecularCell）杂志上的这项研究的第一作者之一弗雷德里克-阿伦斯（FrederikAhrens）介绍说。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由19个部分组成的PEP复合物的详细三维模型。为此，研究人员对样本进行了超高速速冻。然后，研究人员从多个角度对复制机进行了数千次拍摄，直至原子级别，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一个整体图像。"结构快照显示，PEP核心与其他RNA聚合酶（如细菌或高等细胞的细胞核）中的核心相似。然而，它包含叶绿体特有的特征，这些特征介导了与PAPs的相互作用。后者只有在植物中才能发现，而且它们的结构非常独特，"国际植物研究所博士生、MBExC赫莎-斯波纳学院成员、该研究的第一作者PaulaFavorettiVitaldoPrado解释说。科学家们已经假定，PAPs在读取光合作用基因的过程中发挥着各自的功能。"我们可以看到，这些蛋白质以一种特殊的方式排列在RNA聚合酶核心周围。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合体相互作用，并参与基因读取过程，"Hillen补充说。了解光合作用的演变研究小组还利用数据库寻找进化线索。他们希望找出在其他植物中观察到的复制机结构是否相似。Pfannschmidt说："我们的研究结果表明，PEP复合物的结构在所有陆生植物中都是相同的。关于叶绿体DNA复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机器生物发生的基本机制。这些发现对未来的生物技术应用也很有价值。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422939.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422939.htm