氧電極萬億分之一秒！“破解”了光合作用最初階段！
光合作用（photosynthesis）是很多植物、藻類和藍菌等生產者利用光能把水、二氧化碳或者硫化氫等無機物轉變成可以儲存化學能的有機物（比如碳水化合物）的生物過程。盡管它是地球上最著名和研究最透徹的過程之一，但科學家們發現光合作用仍然有很多秘密需要被揭開。
英國劍橋大學Jenny Z. Zhang等研究人員使用超快光譜技術研究能量的運動，發現可以從負責光合作用的分子結構中提取電子的化學物質在初始階段進行。本研究“破解”了光合作用的最初階段。這種光合作用的“重新布線”可以改善光合作用處理過剩能量的方式，并創造新的更有效的方式來利用其能量。研究內容“Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale”發表在《nature》雜志上(IF：69.504)。
光系統II和I（PSII和PSI）是包含反應中心復合體，這些復合體驅動光合作用的光反應。PSII進行光驅動的水氧化，PSI進一步使捕獲的電子產生光能。光系統令人印象深刻的效率促使人們采取廣泛的生物、人工和生物雜交的方法來“重連”光合作用，以提高生物質轉化效率和新的反應途徑，如H2釋放或CO2固定。以前的方法集中在光系統終端電子受體的電荷提取上。理想情況下，可以從光激發反應中心進行電子提取，以實現最大的熱力學增益。然而，這被認為是不可能的，因為反應中心被埋在距細胞質面約4nm的PSII內和5nm的PSI內。
最初，研究人員試圖探究為什么一種叫做醌的環狀分子能夠從光合作用中“竊取”電子。醌在自然界中很常見，它們可以很容易地接收和釋放電子。研究人員使用一種稱為超快瞬態吸收光譜（TA）的技術來研究醌在光合藍藻中的行為。
研究發現發生光合作用初始化學反應的蛋白質支架是“泄漏的”，從而使電子逸出。這種滲漏可以幫助植物保護自己免受強光或快速變化的光線的傷害。研究人員利用體內超快速瞬時吸收（TA）光譜，證明了在早期（光激發后幾皮秒）直接從光激發的PSI和PSII中提取電子。
圖1. 外源電子介體在活細胞中以皮秒時間尺度起作用
本文中，作者使用英國漢莎公司生產的液相氧電極測定系統檢測氧氣釋放實驗證實，在所有濃度和DCBQ存在的情況下，PSII繼續在體內對水進行氧化，這表明在加入DCBQ后，光激發產生空穴途徑仍然活躍。
圖2. DCBQ對野生型藍藻細胞氧氣釋放的影響研究人員推測，這些媒介物在最初的光激發后，會氧化外圍的葉綠素色素，并參與高度脫域的電荷轉移狀態。這些研究結果對以前的模型提出了挑戰，即光激發的反應中心在光系統蛋白支架內是絕緣的，也為研究和重連光合作用的生物技術和半人工光合作用開辟了新途徑。
圖3. 醌電子介質對野生型細胞的作用
本文結果表明，從光合作用到各種外源電子介質的體內電子轉移可能直接從光系統的初始光激發狀態開始，即從光合電子傳輸鏈中最早可能的步驟開始。這為重新布線生物光合作用開辟了新的可能性，并在生物光合作用和人工光合作用之間建立了聯系。例如，操縱這種非經典途徑，可以減輕與生物技術和農業應用中的光脅迫相關的損失，或有助于將電荷轉移到電力和化學發電的替代用途中。
