[科研前线│Nature│氧电极]万亿分之一秒！“破解”了光合作用最初阶段！

光合作用（photosynthesis）是很多植物、藻类和蓝菌等生产者利用光能把水、二氧化碳或者硫化氢等无机物转变成可以储存化学能的有机物（比如碳水化合物）的生物过程。尽管它是地球上最著名和研究最透彻的过程之一，但科学家们发现光合作用仍然有很多秘密需要被揭开。

英国剑桥大学Jenny Z. Zhang等研究人员使用超快光谱技术研究能量的运动，发现可以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进行。本研究“破解”了光合作用的最初阶段。这种光合作用的“重新布线”可以改善光合作用处理过剩能量的方式，并创造新的更有效的方式来利用其能量。研究内容“Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale”发表在《nature》杂志上(IF：69.504)。

光系统II和I（PSII和PSI）是包含反应中心复合体，这些复合体驱动光合作用的光反应。PSII进行光驱动的水氧化，PSI进一步使捕获的电子产生光能。光系统令人印象深刻的效率促使人们采取广泛的生物、人工和生物杂交的方法来“重连”光合作用，以提高生物质转化效率和新的反应途径，如H2释放或CO2固定。以前的方法集中在光系统终端电子受体的电荷提取上。理想情况下，可以从光激发反应中心进行电子提取，以实现最大的热力学增益。然而，这被认为是不可能的，因为反应中心被埋在距细胞质面约4nm的PSII内和5nm的PSI内。

最初，研究人员试图探究为什么一种叫做醌的环状分子能够从光合作用中“窃取”电子。醌在自然界中很常见，它们可以很容易地接收和释放电子。研究人员使用一种称为超快瞬态吸收光谱（TA）的技术来研究醌在光合蓝藻中的行为。

研究发现发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“泄漏的”，从而使电子逸出。这种渗漏可以帮助植物保护自己免受强光或快速变化的光线的伤害。研究人员利用体内超快速瞬时吸收（TA）光谱，证明了在早期（光激发后几皮秒）直接从光激发的PSI和PSII中提取电子。

图 1. 外源电子介体在活细胞中以皮秒时间尺度起作用

本文中，作者使用英国汉莎公司生产的液相氧电极测定系统检测氧气释放实验证实，TA实验中，在所有浓度和DCBQ存在的情况下，PSII继续在体内对水进行氧化，这表明在加入DCBQ后，光激发产生空穴途径仍然活跃。

图 2. DCBQ对野生型蓝藻细胞氧气释放的影响研究人员推测，这些媒介物在最初的光激发后，会氧化外围的叶绿素色素，并参与高度脱域的电荷转移状态。这些研究结果对以前的模型提出了挑战，即光激发的反应中心在光系统蛋白支架内是绝缘的，也为研究和重连光合作用的生物技术和半人工光合作用开辟了新途径。

图 3. 醌电子介质对野生型细胞的作用

本文结果表明，从光合作用到各种外源电子介质的体内电子转移可能直接从光系统的初始光激发状态开始，即从光合电子传输链中最早可能的步骤开始。这为重新布线生物光合作用开辟了新的可能性，并在生物光合作用和人工光合作用之间建立了联系。例如，操纵这种非经典途径，可以减轻与生物技术和农业应用中的光胁迫相关的损失，或有助于将电荷转移到电力和化学发电的替代用途中。