光合作用艺术图。图片来源：剑桥大学卡文迪许实验室/托米·百奇

相信大家对“光合作用”这个词汇都不陌生。

植物的主要食物就是空气和阳光。它们则依靠光合作用，利用阳光和空气中的二氧化碳，制造出生存和生长所需的有机质——最基本的就是糖分。

光合作用的发现

但人们认识到植物的上述生长机理，也不过几百年的时间。

17世纪以前，人们普遍认为植物生长所需的全部元素是从土壤中获得的。

1771年，英国牧师、化学家J. Priestley进行密闭钟罩试验。他发现有植物存在的密闭钟罩内蜡烛不会熄灭，老鼠也不会窒息死亡。于是在1776年，他提出植物可以“净化”空气。但是他不能多次重复他的实验，即表明植物并不总是能够使空气“净化”。

荷兰医生J. Ingenhousz在Priestley研究的基础上进行了多次实验，发现Priestley实验不能多次重复的原因是他忽略了光的作用，植物只有在光下才能“净化”空气后来，人们以J．Priestley为光合作用的发现者，把1771年定为光合作用的发现年。

1782年，瑞士人Jean Snebier用化学方法发现：CO₂是光合作用必需物质，O₂是光合作用产物。1804年，瑞士人N. T. De Saussure通过定量实验证明：植物所产生的有机物和所放出的总量比消耗的CO₂多，进而证实光合作用还有水参与反应。

到20世纪初，光合作用的分子机理有了突破性进展，里程碑式的工作主要是：Wilstatter等（1915）由于提纯叶绿素并阐明其化学结构而获得诺贝尔奖。

光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。其主要包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

尽管光合作用的分子机理在100多年前就已经得到解释，但光合作用过程任然存在着一些尚待破解的难题。比如说植物是如何将阳光转化为能量的，这个问题就一直没有说明白。

光合作用最早阶段的“秘密”

近日，英国剑桥大学领导的国际研究团队“破解”了光合作用最早阶段的“秘密”，它们的研究成果3月22日发表在《自然》杂志上。

植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的这一过程仅需要万亿分之一秒。在这样短短的时间内，其反应机理是怎样的？研究人员试图理解为什么一种名为醌的环形分子能够从光合作用中“偷”走电子。醌类化合物在自然界很常见，它们很容易接受和释放电子。

研究人员利用超快光谱学观察电子，在飞秒（千万亿分之一秒）尺度上跟踪活细胞光合作用过程的能量流动。他们发现，发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“漏”的，使电子得以逃逸。这种渗漏性可帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的伤害。

研究还发现，负责光合作用的化学物质从分子结构中提取电子，可在光合作用初始阶段实现，而不是像以前认为的在较晚阶段才能实现。这种光合作用的“重新布线”可改善它处理过剩能量的方式，并创造出新的、更有效地利用其能量的方式。

在光合作用的早期阶段，此前还没有人正确地研究过这种分子与光合作用机制的相互作用。此次发现的全新途径，进一步打开了光合作用的黑匣子。

研究人员说，他们能够在光合作用过程的早期提取电荷，通过操作光合作用途径，从太阳中产生清洁燃料，可使过程更有效率。此外，调节光合作用的能力可能意味着作物能够更好地耐受强烈的阳光。