地球上的许多生命，都是靠光合作用提供动力的。植物、藻类和某些细菌通过光合作用，将水和二氧化碳转化为糖，从而维持自身生存，并为地球上的生命提供了营养基础。

光合作用也是生物界最有名、研究得最多的自然过程之一。虽然这个过程对植物来说似乎“显而易见”，但要真正理解其中发生的事情却出奇困难。科学家知道它涉及电子、电荷转移和一些原子级的物理学，但关于具体发生了什么、什么时候发生的，还有许多模糊不清的问题。

为了破译这一奥秘，科学家已经利用从核磁共振到量子计算机等各种工具来寻求突破。从光合作用在地球上的演化历史，到它本身的过程和细节，科学家已经从各个方面解析了它。但惊人的是，光合作用仍然藏着自己的秘密。

近日，由剑桥大学领导的一组国际团队，已经“入侵”了光合作用的最早期阶段。他们以飞秒（1×10⁻¹⁵秒）级的超快时间尺度，在活细胞中研究了光合作用的过程，并发现了从这种过程中提取能量的新方法。

这项研究已于近日发表在《自然》上，有望为产生清洁燃料和可再生能源提供新思路。

电子很早被“偷”走了

醌在自然界中很常见，这种环形的分子很容易就可以接受和给出电子。研究团队最初试图了解的问题是，醌为什么能从光合作用中“偷”走电子。

之前还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的相互作用。他们使用了一种叫作超快瞬态吸收光谱的技术，来研究醌在光合作用蓝细菌中的表现。

利用超快光谱技术研究能量的运动，他们发现，发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是有漏隙的，能让电子逃逸。这种漏隙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。

光合作用过程的动画示意图。（图/ Mairi Eyres）

从光合作用的分子结构中提取电子的过程在光合作用的初始阶段就开始了，而不是像以前认为的那样始于很靠后的阶段中。这实际上可以提高它处理过剩能量的方式，并创造出更有效利用能量的途径。

研究人员本以为，他们只是在用一种新技术来证实一些已经知道的知识，但最终却发现了一种全新的电子传输途径，并进一步打开了光合作用的黑盒子。

进一步利用光合作用

光合作用的物理学令人印象深刻。这种超快技术可以为研究人员带来丰富的信息以及活体系统中的动力学，深入分子和原子的尺度进行更详细的观察。了解这种电荷在细胞中的传输，也为发现自然的运作方式提供了非凡的机会。

虽然光合作用是一种自然过程，但科学家也一直在研究如何利用它来帮助解决气候危机，比如，我们有没有可能模拟光合作用过程，利用”人造光合作用“通过阳光和水产生清洁燃料？

许多科学家曾试图从光合作用的早期阶段提取电子，但认为这不可能，因为能量都“埋”在蛋白质支架中。但现在，能在光合作用过程的早期提取电荷，在操纵光合作用途径从太阳产生清洁燃料时，就有机会让这个过程更为有效。此外，调节光合作用的能力可能也意味着，有望让农作物更能够忍受强烈的阳光。

参考来源：

https://www.cam.ac.uk/stories/hacking-photosynthesis

https://www.popsci.com/technology/ultrafast-spectroscopy-photosynthesis/

封面图&首图：University of Cambridge