皮秒成像!捕获光合作用初始瞬间

密歇根大学的生物物理学家在《PNAS》发表蕞新文章向我们展示了一个光子点亮光合作用能量转换的第壹步。

光合作用滋养全地球的生命已经超过30亿年，但我们仍不知道它究竟是如何运作的。

密歇根大学的生物物理学家在《PNAS》发表蕞新文章向我们展示了一个光子点亮光合作用能量转换的第壹步。

当光线击中嵌在光捕获天线复合体（light-harvesting antenna complexes）蛋白内的有色分子，能量也随之进入光合作用反应中心蛋白，启动光能转化进程。植物光合作用的终产物是氧气和供应有机体存活的能量。

密歇根大学物理学和生物物理学教授Jennifer Ogilvie致力于紫色细菌的光合作用反应中心研究。这些细菌的反应中心与植物的比较相似，但是它们用于捕获和提取光能的色素类型不同。紫色细菌的反应中心有六种颜色略有不同的色素。

“作为能量收集器，光捕获天线复合物的基本职责就是尽可能地收集光能，”Ogilvie说。“它们富含色素，这些色素被放置在便于能量疏导的战略要地。”

不同颜色的色素与不同类型的光能缠斗，从中获取可被细菌利用的光线。光子（photons）激发色素，触发能量向光合作用反应中心传递。然而，迄今为止科学家们还从未清晰地描绘出过电荷分离的关键时刻。Ogilvie和她的团队利用先进的“二维电子光谱术（two-dimensional electronic spectroscopy）”拍下了这一瞬间。

而且他们还清晰的观测到了一个隐藏的能级，该状态是理解初始电荷分离的关键，并亲眼目睹了导致电荷分离的整个步骤。

能量转换的瞬间仅用时几个皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒），这是一个难以想象的时间刻度。

“利用X射线晶体学我们能了解蛋白质的结构，但是推测它们的功能却非常棘手，”Ogilvie说。“掌握能级的位置非常有助于建立光合反应中心结构与功能的关系。”

除了能早日解开光合作用之谜，Ogilvie的工作还能促进高效太阳能电池板的发展。“天然光合作用系统是我们开发太阳能捕获技术的理想参照，”她说。“了解大自然如何捕光，也是希望我们人类能掌握大自然的经验，从而改进人工捕光材料。”