皮秒成像!捕獲光合作用初始瞬間

密歇根大學的生物物理學家在《PNAS》發表蕞新文章向我們展示了一個光子點亮光合作用能量轉換的第壹步。

光合作用滋養全地球的生命已經超過30億年，但我們仍不知道它究竟是如何運作的。

密歇根大學的生物物理學家在《PNAS》發表蕞新文章向我們展示了一個光子點亮光合作用能量轉換的第壹步。

當光線擊中嵌在光捕獲天線復合體（light-harvesting antenna complexes）蛋白內的有色分子，能量也隨之進入光合作用反應中心蛋白，啟動光能轉化進程。植物光合作用的終產物是氧氣和供應有機體存活的能量。

密歇根大學物理學和生物物理學教授Jennifer Ogilvie致力于紫色細菌的光合作用反應中心研究。這些細菌的反應中心與植物的比較相似，但是它們用于捕獲和提取光能的色素類型不同。紫色細菌的反應中心有六種顏色略有不同的色素。

“作為能量收集器，光捕獲天線復合物的基本職責就是盡可能地收集光能，”Ogilvie說。“它們富含色素，這些色素被放置在便于能量疏導的戰略要地。”

不同顏色的色素與不同類型的光能纏斗，從中獲取可被細菌利用的光線。光子（photons）激發色素，觸發能量向光合作用反應中心傳遞。然而，迄今為止科學家們還從未清晰地描繪出過電荷分離的關鍵時刻。Ogilvie和她的團隊利用先進的“二維電子光譜術（two-dimensional electronic spectroscopy）”拍下了這一瞬間。

而且他們還清晰的觀測到了一個隱藏的能級，該狀態是理解初始電荷分離的關鍵，并親眼目睹了導致電荷分離的整個步驟。

能量轉換的瞬間僅用時幾個皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒），這是一個難以想象的時間刻度。

“利用X射線晶體學我們能了解蛋白質的結構，但是推測它們的功能卻非常棘手，”Ogilvie說。“掌握能級的位置非常有助于建立光合反應中心結構與功能的關系。”

除了能早日解開光合作用之謎，Ogilvie的工作還能促進高效太陽能電池板的發展。“天然光合作用系統是我們開發太陽能捕獲技術的理想參照，”她說。“了解大自然如何捕光，也是希望我們人類能掌握大自然的經驗，從而改進人工捕光材料。”

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