光合作用的科学前沿

光合作用是生物体将光能转化为化学能的过程.由于地球人口的迅速膨胀,可以说光合作用不仅仅是生命科学中的重大基础理论问题,而且与当今人类面临的粮食危机、能源危机、资源危机和环境变化等问题的解决密切相关.这是因为：提高农作物光能转化和利用效率是农业增产的核心问题；人类今天所用燃料主要是远古和当今植物光合作用产物转化而来；光合作用吸收二氧化碳对于减缓地球大气层的温室效应具有很大作用.

正是因为光合作用研究对于生命科学乃至人类未来发展具有重大意义,所以很多科学家致力于光合作用领域的研究,诺贝尔奖曾被先后六次授予从事光合作用研究并作出杰出贡献的科学家.利用生物化学、分子生物学、物理学和化学等学科资源,从不同侧面相互结合进行光合作用研究是国际上光合作用研究领域的新趋势.国家自然科学基金委员会1997年底启动了“光合作用中高效吸能、传能和转能的分子机理”的国家自然科学基金九五重大项目,科技部1999年初将光合作用列为我国具有重要应用价值的首批十五项重大基础理论问题之一(“973”项目),国家投入巨资,以中科院植物所光合作用研究中心以及生物物理所为首的科学工作者积极参与到国际光合作用这一竞争十分激烈、特别热门的研究当中.

菠菜主要捕光复合物的晶体结构

2004年3月18日,世界著名杂志《自然》以主题论文的方式发表了由中国科学院生物物理所、植物研究所合作完成的“菠菜主要捕光复合物(LHC-II)2.72A分辨率的晶体结构”的研究成果,其晶体的结构彩图被选作该期杂志的封面照片.

光合作用机理一直是国际上长盛不衰的研究热点,LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物.这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂质分子所组成的一个复杂分子体系,它们被镶嵌在生物膜中,具有很强的疏水,难以分离和结晶.测定这样的膜蛋白复合体的晶体结构,是国际公认的高难课题,也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志.

中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组经过6年的艰苦努力终于完成了这一重要复合体三维结构的测定工作.中国科学院植物研究所匡廷云院士主持的研究小组,经过多年的艰苦努力,分离、纯化了这一重要的光合膜蛋白(LHC-II),为晶体和空间结构的解析打下了物质基础,这是生物化学、结晶学及结构生物学的有机结合所取得的重大成果,使我国在高等植物LHC-II三维结构测定方面成功地超越了德国和日本等发达国家的多家实验室,率先完成了这一具有高度挑战性的国际前沿课题.

这一成就已经引起了众多国际同行的广泛关注,正如他们所评价的：“这是光合作用研究领域的一大突破,对于理解植物光合作用中所发生的捕光和能量传递过程是必不可少的,这一成果标志着光合作用研究的重大跨越”.

太阳能电池

澳大利亚研究员表示,模仿植物中的叶绿素创造的合成分子,据此也许有一天能研制出高效的太阳能电池.

由悉尼大学的马克斯克鲁斯雷教授领导的分子电子学科研组,最近在罗马举行的国际卟啉和酞菁染料大会上提出了他们的研究成果.克鲁斯雷说：“经过数百万年的演变,自然能很有效地捕获到光并把它转化成能量.我们正在设法模仿自然的光合作用方式.”

叶子利用体内排列密集的叶绿素分子将光能转变成电能,然后再转变成化学能.促成叶绿素这一功能的必不可少的元素是色素卟啉,它位于镁离子的中心.研究员制造了一个形状像足球的合成叶绿素分子.它有一个树状大分子支架,是一个由碳、氢、氮合成的高度分岔的纳米聚合体.黏附在树状大分子上的是捕获光的色素卟啉的人工合成版本.一种被称作“巴基球”的球形碳分子坐落在卟啉之间,从收集到的太阳光子中吸收电子.

克鲁斯雷和他的科研组已经利用合成叶绿素建造一个有机太阳能电池的雏形.它以自然释放为基础,他们希望最终能制造出比现有太阳能电池更有效的电池.绿叶能有效的将30％-40％的光能转变成电能,而通常以硅元素为基础的太阳能电池只能有效地将12％的光能转变成电能.

克鲁斯雷说：“我们已经拥有了模仿光电设备或太阳能电池的主要成分.从长远来看,我们必须设法生产出一种能像薄薄的一层油漆那样,简单地涂抹在屋顶上的东西.”他表示,科研组还希望能制造出存储装置,用来代替以金属为基础的电池.

计算机模拟光合作用

美国科学家近日称,他们最近在实验室成功地用计算机模拟了植物的光合作用,并据此培育出品种更加优良的植物.这种新植物不需要额外增加养分,就可以长出更茂盛的枝叶和果实.

美国伊利诺伊大学植物生物学和作物科学教授斯蒂夫隆表示,在农作物结出谷粒前,绝大部分被吸收的氮都变成了植物叶片中的用来促进光合作用的蛋白质.为此,研究人员们提出了一个简单的问题：“我们能不能像植物那样给不同的光合蛋白质准备一定数量的氮,甚至比植物做得更漂亮呢”

首先,研究人员建立子一个可靠的光合作用模型,以便精确模拟植物对环境变化的光合反应.为了完成这个艰巨的任务,科学家们使用了由美国国家超级电脑应用中心提供的计算资源.在确定光合作用中每种蛋白质的相对数量后,研究人员设计出了一系列连锁微分方程式,每个方程模拟了光合作用中的一个步骤.通过不断地测试和调整模型,研究小组最终成功预测了在真实叶片上进行实验的结果,其中包括叶片对环境变化的动态反应.

接下来,模型运用“进化算法”搜寻各种酶,以提高植物的产量.一旦实验证明某种酶的相对高浓度可以提高光合作用的效率,该模型就会利用此实验结果进行下阶段的测试,科学家们通过这种方法确定了许多可以大大提高植物生产力的蛋白质.这个最新发现也印证了其他一些研究人员的研究结果：在基因改造植物中,当这些蛋白质中某一种的含量增加,植物产量就会随之提高.

斯蒂夫,隆说：“水稻与小麦的高产品种的光合作用效率可以达到1％至1.5％,而甘蔗或者玉米的效率则可达到5％或者更高.如果人类可以人为地调控光能利用效率,农作物产量就会大幅度增加.通过改变氮的投入,我们几乎可以使光合作用效率提高两倍.然而,随之而来的一个显而易见的问题是,为何植物的生产力可以提高如此之多,为何植物还未能进化到可以自身进行如此高效的光合作用这个问题的答案可能在于,进化的目的是生存和繁殖,而我们实验的目的是增加产量.模型中显示的变化很可能会破坏植物在野外的生存,因此这种模拟只适合在农民的农场中进行.”

“作物高产与肥水高效利用相结合理论”

我国科学家以“不投入大量水、肥、药,利用提高植物的非叶片器官的比例和功能,实现高产和超高产”的技术理论,修正了“作物高产只能通过叶片光合作用贡献率”的传统理论.

“叶片的光合作用对农作物产量的贡献率在90％以上”,是闻名于世的“第一次绿色革命”的经典技术理论成果之一.这一理论忽视“非叶光合器官的作用”,认为“作物高产的产量物质来源于叶片的光合作用”.由此,“用大肥、大水促进叶片的生长,以增加其光合生产”.事实上,由此导致的植物叶片过大,形成了遮光,反而造成作物群体的光合效率低.

我国科学家试图改变增加叶片光合作用的通常做法.中国农业大学王志敏教授等研究发现,在高温胁迫下,人们常见叶片器官衰败,而小麦等作物的穗、穗下节间和叶鞘等非叶光合绿色器官不仅具有良好的受光空间,而且具有类似于“碳4型”的高效光合机制,它不仅弥补叶片光合作用的不足,而且有耐旱、耐热、抗逆强的作用.

实践证明,非叶片器官对农作物产量的贡献率可达70％以上.在这一理论指导下,科技人员建立了冬小麦节水、省肥、高产、简化“四统一技术体系：在严重缺水的河北沧州地区大面积示范获得成功.从而结束了30多年来农作物面对高产不能突破的徘徊局面.

地球早期光合作用可能产生“水”

植物能够借助光合作用吸收二氧化碳释放出氧气,这已是人所共知的科学常识.然而美国科学家的最新研究发现,30多亿年前的地球由于氧含量很少,当时光合作用释放出的“废物”可能是水.

据美国《科学》杂志网站最新报道,美国斯坦福大学地质学家唐纳德,洛等人认为,30亿年前的地球大气中存在大量氢,当时的生物很可能是依赖氢再通过光合作用将二氧化碳转化为自身必需的有机化合物,而这一过程最终产生的“废物”很可能是水而不是今天的氧气.这一结论来自一些有34亿年历史的微生物化石,化石是在南非黑硅石中发现的.对黑硅石进行的生化分析发现,黑硅石中含有大量属于碳酸铁类矿物的菱铁矿,却几乎找不到任何氧化铁的踪迹；黑硅石中的微生物曾生活在缺氧的海洋中；黑硅石中微量元素铈的含量要高于现今海洋中的铈含量,其中的铀也大都和钍结合在一起.这些都表明,30多亿年前的地球不是一个富含氧的环境.

有地质学家认为,黑硅石中的化学成分组成可能是由其他原因造成的,洛等人的观点有待推敲.但一些业内人士评论说,洛等人的研究成果令人信服,“氢依赖型光合作用”的发现使人们对生命起源的理解向前迈出了一大步.

光合作用研究的发展前景

光合作用和人类吃穿住行密切相关,中国、美国、欧洲、日本等国投入大量的人力物力进入光合作用研究领域.在分子生物学方面,世界科学家围绕叶绿体中和光合作用密切相关的内囊体膜超分子结构、反应中心a/b叶绿素复合体、集光色素复合体、放氧复合体以及ATP合成酶,羧化酶等参与光合作用反应的蛋白酶分子,从结构和功能方面进行研究.此外结合计算机模拟技术,新型材料学研究成果以及考古学发现等方面,进一步拓展了光合作用的研究范围.在未来的二三十年内,光合作用研究及其在高科技和工业、农业生产中的应用将会获得重大突破.这不仅可以阐明光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理,并能促进生命科学、物理学及化学等基础学科和晶体学、波谱学等技术学科前沿领域的发展；还可以提供理论依据,改造和光合作用有关的基因,以实现农作物光能转化效率的调节和控制.光合作用研究的发展将为国家乃至世界的经济、社会、文化发展作出重要贡献.

责编　孙晓洁