Science發表的這項新發現會導致教科書重寫嗎？

SCIENCE: 一種新型的光合作用（附原文）

據海莉·鄧寧（Hayley Dunning）報道，英國、法國、義大利以及澳大利亞的研究人員合作發現了一種新型的光合作用——靠近紅外光進行光合作用，相關研究成果於2018年6月15日在《科學》（Science）雜誌網站發表——

Dennis J. Nürnberg, Jennifer Morton, Stefano Santabarbara, Alison Telfer, Pierre Joliot, Laura A. Antonaru, Alexander V. Ruban, Tanai Cardona, Elmars Krausz, Alain Boussac, Andrea Fantuzzi, A. William Rutherford.

Photochemistry beyond the red limit in chlorophyll f–containing photosystems, Science, 15 Jun 2018, Vol. 360, Issue 6394, pp. 1210-1213.DOI: 10.1126/science.aar8313.

參與此項研究的研究人員分別來自英國倫敦帝國理工學院生命科學系(Department of Life Sciences,Imperial College London)、倫敦瑪麗皇后大學（Queen Mary University of London）;澳大利亞國立大學（ANU）化學學院、義大利國家研究委員會（Consiglio Nazionale delle Ricerche）、法國巴黎第六大學（Université Pierre et Marie Curie）以及法國生物科學研究所（Institut de Biologie Intégrative de la Cellule）。

圖1是澳大利亞的赫倫島（Heron Island, Australia）海灘岩石的橫截面圖片。它顯示了在岩石表面之下幾毫米處含有葉綠素f的藍色菌（圖片中的綠帶）。

Fig. 1 Cross-section of beach rock (Heron Island, Australia) showing chlorophyll-f containing cyanobacteria (green band) growing deep into the rock, several millimetres below the surface. Credit: Dennis Nuernberg

這一發現改變了我們對光合作用基本機制的理解，教科書中的相關內容應該重寫；它還將調整我們尋找外星生命的方式，並為如何設計更高效的作物品種提供了參考，因為這些新品種作物可以利用較長波長的光進行光合作用。

這一發現由倫敦帝國理工學院研究人員領導的，並得到了BBSRC的支持，還包括來自澳大利亞首都堪培拉的ANU（ANU in Canberra）、法國巴黎的法國科學研究中心（CNRS）、澳大利亞米蘭的CNR等機構。

地球上絕大多數的生命都在光合作用過程中使用可見光，但這種新類型光合作用使用的是近紅外光。

它廣泛存在的藍藻細菌即藍綠藻（cyanobacteria，blue-green algae)）中，在蔭蔽條件下，它們也可以藉助近紅外光生長，如黃石公園的細菌墊（bacterial mats in Yellowstone）和澳大利亞的海灘岩上就有這種藻類。

正如科學家們現在所發現的，它甚至也發生在倫敦帝國理工學院的一個裝有紅外LED的碗櫃里。

超越紅色極限的光合作用除了紅色限制之外的光合作用，標準的、近乎普遍的光合作用使用綠色顏料即葉綠素a（ chlorophyll-a），既能收集光線，又能利用其能量製造有用的生物化學物質和氧氣。

葉綠素a吸收光的方式意味著只有來自紅光的能量才能用於光合作用。

由於葉綠素a存在於我們所知的所有植物、藻類和藍細菌中，人們認為紅光的能量為光合作用設定了「紅色極限」；也就是說，製造氧氣的相關化學反應所需的最低能量。

在天體生物學中，紅色極限被用於天體生物學，來判斷複雜的生命是否可以在其他太陽系的行星上進化。

然而，當一些藍藻細菌在近紅外光下生長時，含有標準的葉綠素a系統關閉了，不同的系統包含了不同種類的葉綠素，葉綠素-f（chlorophyll-f）代替葉綠素a進行光合作用。

直到現在，人們還認為葉綠素-f只是獲得了光。

新的研究表明，在蔭蔽或者光線較暗的條件下，葉綠素-f在光合作用中起著關鍵作用，利用低能量的紅外線來進行複雜的化學反應，這就是「超越紅色極限」的光合作用。

來自英國倫敦帝國理工學院生命科學系的首席研究員比爾·盧瑟福（Bill Rutherford）教授說：「新的光合作用形式讓我們重新思考我們認為可能的事情。它還改變了我們對標準光合作用核心的關鍵事件的理解。這使得教科書上的相關內容也需要修改了。」

Fig. 2 Colony of Chroococcidiopsis-like cells where the different colours represent photosynthesis driven by chlorophyll-a (magenta) and chlorophyll-f (yellow). Credit: Dennis Nuernberg

圖2是類擬色球藻屬（Chroococcidiopsis-like）細胞的克隆圖片。其中不同顏色代表由葉綠素a（品紅色）和葉綠素f（黃色）驅動的光合作用。

防止光損害

另一種藍藻細菌—— Acaryochloris，已經被認為可以利用紅色極限之外的光線進行光合作用。

然而，由於它只存在於這一物種之中，具有一個非常特定的棲息地，它被認為是「一次性的」。. Acaryochloris生活在一種綠色的海鞘下，大部分可見光被遮擋，只留下近紅外線。

丹尼斯·紐倫堡（Dennis J. Nürnberg）等人在《科學》雜誌報道的葉綠素光合作用是第三種廣泛的光合作用。

然而，它只在特殊的紅外陰影條件下使用；在正常的光照條件下，使用標準的紅色光進行光合作用。

人們認為光的傷害會比紅色限制更加嚴重，但是新的研究表明，在穩定的隱蔽環境中，它不是一個問題。

該研究的作者之一，來自英國倫敦帝國理工學院生命科學系的安德里亞·凡圖齊（Andrea Fantuzzi）博士說：「找到一種超出紅色界限的光合作用，改變了我們對光合作用能量需求的理解，也提供了對光能量利用的新認識以及這些藍細菌如何保護自己不受光線亮度變化所造成傷害的機制。」

這些見解對於試圖通過使用更大範圍的光來設計作物，以便進行更有效的光合作用的研究人員來說是有用的。

修訂教科書內容

在新系統中，可以看到比以前在標準葉綠素a系統中看到的更詳細的信息。

通常被稱為「附屬」的葉綠素，實際上是在執行關鍵的化學步驟，而不是教科書所描述的在配合體中心裡的葉綠素「特殊的配對」。

這表明這種模式適用於其他類型的光合作用，這將改變教科書中關於光合作用的主要形式的觀點。

該研究的第一作者、同時也是此項研究的發起人丹尼斯·紐倫堡博士說：我不認為我對藍藻細菌及其多樣化生存方式的興趣會使我們對光合作用的理解發生重大改變。在大自然中仍在等待被發現的東西是令人驚奇的。

英國廣播公司的前沿生物科學研究中心的彼得·伯林森（Peter Burlinson）說：這是光合作用的一個重要發現，此過程在養活世界的作物的生物學中起著至關重要的作用。像這樣的發現突破了我們對生命的理解，比爾·盧瑟福教授和英國倫敦帝國理工學院的研究團隊應該得到祝賀，因為他們揭示了光合作用基礎過程的一個新視覺。

更多信息請注意瀏覽原文或者相關報道。

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