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Science:光合作用機制的新突破

日期:2013-04-09 09:02:11

植物和紫細菌中的類胡蘿卜素不僅能輔助光吸收,還能夠抵御光破壞?,F在,多倫多大學和格拉斯哥大學的研究人員又揭示了,植物光合作用時,類胡蘿卜素將能量傳遞給葉綠素的具體過程,文章發表在本期Science雜志上。

 

光合作用是指,植物、藻類和某些細菌通過光合色素,利用光能將二氧化碳(或硫化氫)和水轉化為有機物,并釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程。光合色素包括葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素等。光合作用由一系列復雜的代謝反應組成,是地球生物賴以生存的基礎。

 

胡蘿卜的橙色和番茄的紅色都是由類胡蘿卜素賦予的。植物中的類胡蘿卜素,往往伴隨著負責吸收紅光太陽能的葉綠素。類胡蘿卜素的主要功能是在陽光最強烈時進行光防護,同時類胡蘿卜素也能夠輔助光吸收。

 

數十年前人們就曾預言,在光合作用中,應該存在一種不參與光吸收的暗態(Dark State)類胡蘿卜素。而多倫多大學化學系教授Greg Scholes領導的這項研究,首次證實了這種狀態的存在,并指出這種完全不參與光吸收的狀態是一個重要媒介,能夠將類胡蘿卜素所吸收的能量有效傳遞給葉綠素。

 

“不參與光吸收的分子狀態卻被用于傳遞光能,這的確出人意料,”Scholes說。“自然界有效利用了類胡蘿卜素分子的多種量子力學狀態,并讓它們各司其職?!?/SPAN>

 

研究人員通過一種特殊技術(broadband two-dimensional electronic spectroscopy)分析了紫細菌光吸收蛋白的電子結構及電子動態,并由此解析了類胡蘿卜素吸收光,并將能量傳遞給細菌葉綠素的具體過程。研究顯示,人們所預言的暗態類胡蘿卜素的確存在,而且這種狀態能夠介導從類胡蘿卜素到細菌葉綠素的能量流。

 

“這種暗狀態的理論自誕生以來就爭議不斷,而現在我們找到了確鑿的證據,”Scholes說。這項研究的結果為上述理論提供了有力支持,是迄今為止最明確的證據。

 

“近六十年來,自然界光吸收系統的能量轉移過程一直是研究的熱點,不過這一過程的具體機制一直存在著爭議。而我們的研究為人們展示了,光吸收和能量轉移過程中的細節,”文章的共同作者,格拉斯哥大學的Richard Cogdell教授說。

 

“這項研究,讓我們對生命的基礎分子有了更深入的認識,”Scholes說?!跋胂肟矗惡}卜素的功能涉及了光吸收、光保護和能量傳遞,甚至還被一些紫細菌用來作為熱量傳感器。一個分子的不同量子力學狀態可以執行如此之多的功能,這令人驚嘆?!?/SPAN>

 


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