科学家破解几十年光合作用谜团

本文转自：中国科学报

本报讯 众所周知，光合作用是植物、藻类和一些细菌利用光产生生长所需能量的过程。近日，两个研究小组揭示了光合作用过程中氧气形成的微观细节。从该尺度了解光合作用有望促进清洁燃料开发。相关研究近日发表于《自然》。

此前的研究发现，4个连续的光子撞击植物分子结构即可启动光合作用。锰、钙和氧原子团吸收这些光子，然后分解植物中的水分子，释放束缚在水中的氧气。

但是，几十年来，研究人员一直不清楚第四个光子撞击锰、钙和氧原子团后到底发生了什么。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的Jan Kern和同事利用高能X射线脉冲捕捉到了光合作用的微观细节。研究人员将从蓝藻中提取的分子簇排列在一条传送带上，它们首先被可见光脉冲照射，从而获得分解水所需的光子。高能X射线脉冲捕捉到这个过程中原子的排列。

在被第四个光子击中后，被称为光系统II（PSII）的蛋白质复合物在几百万分之一秒内分解水分子。高能X射线脉冲速度足够快，因此捕捉到了水分解和最终释放到大气中的氧分子形成之间的时间延迟。但在这两个步骤之间拍摄的图像不够清晰，因此无法显示氧原子的确切构型。

然而，PSII分子围绕这些氧原子排列的其他部分表明，氧形成了一些新结构。在这个阶段，氧原子不会像在水中那样与氢结合，也不会聚集在一个更大的氧分子中，它会短暂地与PSII的一部分结合。Kern指出，光合过程的这一步骤以前只是理论。

德国柏林自由大学的Holger Dau和同事也专注于光合作用水分解过程的末端。但他们没有像Kern团队那样拍摄原子的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间移动。

研究人员从40公斤新鲜菠菜中提取了PSII，用可见光照射后，再用红外光照射。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团队进行的光合作用过程中电子和质子运动的计算机模拟结合，揭示了一个关键新步骤，即3个质子在氧原子和PSII的其余部分间交换一个电子的过程。

劳伦斯伯克利国家实验室的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末端发生了两次。

上述两个研究团队希望通过使用更快的X射线、更清洁的PSII样本和更多的红外光来揭示更多细节。

德国马克斯·普朗克煤炭研究所的Dimitrios Pantazis说，了解光合作用中的水分解过程对于开发将水转化为氢燃料的设备很重要。

“虽然我们无法直接复制生物系统，但这是已知的唯一 一个如此有效分解水的系统。因此，我们需要揭示数十亿年来进化的所有分解水的方式。”Pantazis说。（徐锐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06038-z

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06008-5