研究發現分子振動可提高光合作用效率

7月21日消息，科學日報報道，近日美國密西根大學生物物理學研究學者利用短脈沖光對光合作用的力學進行了相關研究并闡明了分子振動在光合作用能量轉換過程中所起的作用。這項發現或能幫助工程師制造更的太陽能電池和能量儲存系統。他們還為有關光合作用是如何變得如此的“量子生物學”辯論提供新證據。

通過光合作用，植物和某些細菌會將太陽光、水和二氧化碳轉換為它們自身的食物和動物呼吸所需要的氧。這可能是地球上zui重要的生物化學過程，但科學家們卻仍未*明白它的工作原理。

密歇根大學的研究人員鑒別了幫助電荷分離的特定分子振動，電荷分離在光合作用的zui初幾步是將電子踢出原子，后者zui終將太陽能轉換為化學能量以供植物生長和存活。

“生物和人工光合系統會吸收光能并將它轉化為電荷分離。在自然光合作用中，電荷分離會產生生物化學能量。在人造光合系統里，我們希望利用電荷分離以產生電或者其它可以使用的能源，例如生物燃料，”研究作者、密西根大學物理學和生物物理學副教授詹妮弗·奧格爾維（Jennifer Ogilvie）這樣說道。研究合作作者還包括密西根大學分子、細胞和發生生物學學院兼化學學院的榮譽教授查爾斯·約克姆（Charles Yocum）。這項發現被發表在7月13日的期刊《自然化學》上。

人眨眼只需要1/3秒的時間，而電荷分離的時間大約為前者的1000億分之一。奧格爾維和她的研究小組設計了一項超快激光脈沖實驗，能夠匹配這樣的反應速度。通過利用精心計時的超短激光脈沖序列，奧格爾維和同事可以啟動光合作用并實時拍攝這個過程的快照。

研究小組從樹葉里抽取所謂的光系統II反應中心。位于植物細胞葉綠體的光系統II是蛋白質和色素的集合。它還是目前已知*的利用太陽能將水分離成氫和氧的自然酶。

為了獲得樣本，研究人員從雜貨店里獲得了一袋菠菜葉。“我們移除了莖和脈絡，并將它放進攪拌機里然后進行好幾步的抽取，從而從細胞膜里移除蛋白復合物，但同時保證它們的完整。這個特殊的系統非常有吸引力，因為電荷分離過程發生的極其，在人工材料里，我們有很多很好的可以創造電荷分離的光吸收器和系統，但維持這個分離過程足夠久以抽取它進行有用的工作卻非常困難。在光系統II反應中心里，這個問題被很好的解決。”

研究人員利用*的光譜學方法以激起光系統II復合物并檢測產生的信號。通過這種方式他們獲得了有關樹葉能量和電荷的通道的見解。“我們可以小心的追蹤整個過程。” 奧格爾維說道。“我們可以調查能量傳遞的地點以及發生電荷分離的時間。”

科學家們收集的光譜信號包含較長的回聲，能夠揭示電荷分離過程中特定的振動運動。“我們發現當能級的間隔接近振動頻率，我們就可以提高電荷分離，” 奧格爾維說道。“這有點類似水桶隊列：你傳輸給下一條線的水量取決于每個人正確的計時以及合適的運動以zui大化生產量。這個實驗告訴了我們用于光系統II反應中心里電荷分離的重要計時和運動。” 奧格爾維設想未來利用這些信息逆轉這個過程——設計某種具有合適的振動和電子結構的材料以模擬這種的電荷分離過程。