超綱了！顛覆光合作用理論，科學家提示此處應改教科書

這一發現改變了我們對光合作用的基本機制理解，應該重寫教科書。它還將改變我們尋找外星生命的方式，以及如何利用更長波長的光來設計工程作物。

生長在澳大利亞海灘岩石上的藍藻

這項發表在《Science》雜誌的最新文章由帝國理工學院領導，澳大利亞、法國和義大利等國的研究小組參與合作。

地球上，絕大多數使用光合作用的生物利用的是可見紅光，科學家們新發現的光合作用類型使用的卻是近紅外光（near-infrared）。

研究人員在一種分部廣泛的藍藻（cyanobacteria）中檢測到了這種光合作用。神奇的是，這種天然的生命過程與櫥窗中閃耀著的紅外發光二極體（LEDs）中發生的過程竟是一樣的。

超出紅光限制的光合作用

標準的光合作用（建議打開《必修一 第五單元 第四節：能量之源——光與光合作用》）需要依賴葉綠素a（chlorophyll-a）收集光能以製造生化物質和氧氣。葉綠素a吸收光的方式註定普遍的光合作用只能利用紅光能量。

我們知道所有植物都含葉綠素a，包括藻類和藍藻。我們曾天真地認為紅光能量是光合作用的「紅光極限（red limit）」，換句話說，這是生物製造氧氣所需的最小能量限制。因此，天體生物學家將紅光極限設定為判斷其他太陽系行星是否有生命進化的條件之一。

一些藍藻在近紅外光下生長時，標準的葉綠素a系統就會關閉，然後由不同種類的葉綠素、葉綠素f系統接管。長期以來，人們一直認為葉綠素f只負責採光。新研究表明，葉綠素f在陰暗條件下分明是光合作用的主力，它們利用更低能量的紅外光進行複雜的化學反應。這驚掉了科學家的下巴：光合作用超越了「紅光極限」。

項目領導者帝國理工學院研究生院生命科學系教授Bill Rutherford說：「新光合作用類型動搖了我們過去的認識，它也改變了我們『所謂的』標準光合作用核心事件機理。這是一個改變教科書式的新發現。」

不同顏色染料標記的不同種類的葉綠素

其實，此前科學家們曾發現，另一種名為Acaryochloris的藍藻已經超出了紅光極限，但是，這個物種來自某個非常特殊的棲息地，導致科學家們以為這只是「偶然發現」。（ Acaryochloris生活在一個綠色的海水噴射器中，這裡缺乏大部分可見光，只有近紅外線。）

今天發表的《Science》文章報道，這種基於葉綠素f的光合作用實際上代表著自然界中廣泛存在的第三類光合作用。它的應用場景是陰暗且紅外光資源豐富，正常光照條件，植物們仍採用標準的紅光光合作用系統。

過去人們認為超出紅光極限的光線會對植物造成嚴重損害，但新發現證明，在穩定的陰暗環境中，這根本不是問題。

文章作者Andrea Fantuzzi博士說：「這種形式不僅改變了我們對光合作用能量需求的理解，而且指出了一條『利用光能，同時保護細胞系統免受光損傷』的機制。」

這對作物改良工程師來說大有用處，他們可以從藍藻身上學習如何保護自身免受光能變化造成損害，開發利用更廣泛光線的作物。

關於改教科書

新系統中蘊含一些與標準葉綠素a系統不同的細節。過去被稱為「副」葉綠素的葉綠素們實際上執行著關鍵的化學步驟，而不僅僅是教科書中所描述的「光合作用反應中心的其他對葉綠素」。

這說明還可能存在其他類型的光合作用，這些方式將顛覆教科書對光合作用的主導描述。

「我沒想到我對藍藻多樣化生活方式的興趣會像滾雪球一般變成一個重大發現，」文章一作Dennis Nürnberg博士說。「令人鼓舞的是，自然界中仍存在等待被發現的新東西。」

原文標題

Photochemistry beyond the red-limit in chlorophyll f-containing photosystems

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！