第二看台

从17世纪中叶发现光合作用以来,有可见光才能转换能量的定式思维已经存在数百年。然而,6月15日《科学》杂志刊发的一项研究成果改变了这一传统经典理论,研究人员发现,一种蓝藻细菌在光合作用过程中可以把“近红外光”转换成生命体所需要的化学能,而不是“可见光”。#三农科学传播# #果蔬小灵通# #我是农技人员# 

“这个发现极大地拓展了我们对光合作用的认识,按照这个思路,人类可在基本没有可见光的深海海底,或地外行星上,寻找新的生命。”南京农业大学生命科学学院副教授许晓明告诉科技日报记者。

生命与水、光之间的奇妙关系

绿色植物利用太阳的光能,同化二氧化碳和水制造有机物质并释放氧气的过程,称为光合作用。光合作用是一切生物生存、繁衍和发展的根本保障。

早在17世纪中叶,欧洲科学家就发现植物、动物与水、光、二氧化碳之间存在着奇妙的关系,这是人类对光合作用最早的认识。后来,1771年被称为光合作用发现年。

“人类在20世纪对光合作用有了深入地科学认识,通过研究发现光合作用是通过光合色素完成的。”许晓明说,太阳光有赤橙黄绿青蓝紫,不是一种色素能够全部吸收的,所以广义的光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素、叶黄素等。

光合色素主要分为两大类,一类是天线色素,主要是负责接收光并传递到反应中心,另一类是反应中心色素,它能把光在反应中心进行电荷分离,转换成有机物质。这其中,叶绿素-a是主角,其他如叶绿素-b、叶绿素-c、叶绿素-d等都是配角,只有叶绿素-a才能完成接收传递光、并将可见光转化为化学物质和氧气的过程。

而人们又发现,光合色素只能吸收太阳光中的可见光。具体来说,是吸收可见光中的红光和蓝光,反射绿光。人们已知所有的植物中都有叶绿素存在,所以植物也就呈现出绿色。

不甘当配角的叶绿素-f

来自英国帝国理工生命科学系的研究人员发现,在美国黄石公园的细菌垫、以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中,存在着一种蓝藻细菌。由于它周围几乎没有可见光,含有叶绿素-a的标准光合作用系统就会失效,从而被叶绿素-f接管。

叶绿素-f能吸收波长大于760nm的光,是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。在此之前,人类一直以为它只具有捕获光的作用。而最新的研究表明,叶绿素-f在光合系统中也能进行光化学反应。

当处于阴暗条件下时,叶绿素-f就会在光合作用过程中起着关键性作用,它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应。

“这是一项非常重大的发现,这种新形式的光合作用改变了我们对标准光合作用中的核心事物的理解。” 许晓明认为,过去常被视为配角的叶绿素-f,实际上执行着光合作用中的关键化学步骤。这将改变长期以来对主要的光合作用形式是如何工作的观点,同时也预示着将来有可能继续发现其他类型的光合作用。

科学家也表示,最新报道的这种基于叶绿素-f的光合作用代表了第三种广泛存在的光合作用类型。但是,它仅适用于阴暗且富含红外线的特殊环境中;在正常光照条件下,光合系统仍会使用标准的红光形式进行光合作用。

或应调整外星生命寻找方向

这一发现不仅有重要的科学价值,也有积极的实际意义。例如对农作物的改造,帮助寻找外星生命等。

“我们可以通过基因改造的方式,让农作物具备在阴暗环境下生长的可能,但是目前来看还没有这个必要性。”许晓明说,光照越强转换的能量越多,现阶段在地球上种植的农作物为了达到较高的产量,需要强光照,即使人类改造出能在夜里生长的农作物,实际价值并不大。

但是,对于寻找外星生命来说,这个发现可谓意义重大。

由于在已知的所有植物、藻类、蓝藻细菌中都存在叶绿素-a,因此我们一直认为光合作用有一个“红光极限”(波长400—700nm),它代表着光合作用所需的最低能量。在天体生物学中,红光极限常被用以判断复杂的生命是否可能在其他行星上演化的参考之一。

许晓明向记者介绍,通过卫星对地球表面植物进行遥感观测,主要原理就是测定叶绿素-a,而以叶绿素-f为主的新型光合作用将改变传统观测模式。这一发现意味着,或许应该调整寻找外星生命的方向。在一些阴暗的星球上,或许有一些生命体正以我们不知道的光合作用形式顽强地生存着。