2019-02-21 10:10:14
第二看臺
從17世紀中葉發(fā)現(xiàn)光合作用以來，有可見光才能轉(zhuǎn)換能量的定式思維已經(jīng)存在數(shù)百年。然而，6月15日《科學(xué)》雜志刊發(fā)的一項研究成果改變了這一傳統(tǒng)經(jīng)典理論，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種藍藻細菌在光合作用過程中可以把“近紅外光”轉(zhuǎn)換成生命體所需要的化學(xué)能，而不是“可見光”。
“這個發(fā)現(xiàn)極大地拓展了我們對光合作用的認識，按照這個思路，人類可在基本沒有可見光的深海海底，或地外行星上，尋找新的生命。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授許曉明告訴科技日報記者。
生命與水、光之間的奇妙關(guān)系
綠色植物利用太陽的光能，同化二氧化碳和水制造有機物質(zhì)并釋放氧氣的過程，稱為光合作用。光合作用是一切生物生存、繁衍和發(fā)展的根本保障。
早在17世紀中葉，歐洲科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)植物、動物與水、光、二氧化碳之間存在著奇妙的關(guān)系，這是人類對光合作用最早的認識。后來，1771年被稱為光合作用發(fā)現(xiàn)年。
“人類在20世紀對光合作用有了深入地科學(xué)認識，通過研究發(fā)現(xiàn)光合作用是通過光合色素完成的。”許曉明說，太陽光有赤橙黃綠青藍紫，不是一種色素能夠全部吸收的，所以廣義的光合色素包括葉綠素和類胡蘿卜素、葉黃素等。
光合色素主要分為兩大類，一類是天線色素，主要是負責(zé)接收光并傳遞到反應(yīng)中心，另一類是反應(yīng)中心色素，它能把光在反應(yīng)中心進行電荷分離，轉(zhuǎn)換成有機物質(zhì)。這其中，葉綠素-a是主角，其他如葉綠素-b、葉綠素-c、葉綠素-d等都是配角，只有葉綠素-a才能完成接收傳遞光、并將可見光轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)和氧氣的過程。
而人們又發(fā)現(xiàn)，光合色素只能吸收太陽光中的可見光。具體來說，是吸收可見光中的紅光和藍光，反射綠光。人們已知所有的植物中都有葉綠素存在，所以植物也就呈現(xiàn)出綠色。
不甘當(dāng)配角的葉綠素-f
來自英國帝國理工生命科學(xué)系的研究人員發(fā)現(xiàn)，在美國黃石公園的細菌墊、以及澳大利亞的海灘巖等陰暗環(huán)境中，存在著一種藍藻細菌。由于它周圍幾乎沒有可見光，含有葉綠素-a的標(biāo)準光合作用系統(tǒng)就會失效，從而被葉綠素-f接管。
葉綠素-f能吸收波長大于760nm的光，是已知能吸收最大波長的光的葉綠素。在此之前，人類一直以為它只具有捕獲光的作用。而最新的研究表明，葉綠素-f在光合系統(tǒng)中也能進行光化學(xué)反應(yīng)。
當(dāng)處于陰暗條件下時，葉綠素-f就會在光合作用過程中起著關(guān)鍵性作用，它能利用能量很低的近紅外光來進行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。
“這是一項非常重大的發(fā)現(xiàn)，這種新形式的光合作用改變了我們對標(biāo)準光合作用中的核心事物的理解。” 許曉明認為，過去常被視為配角的葉綠素-f，實際上執(zhí)行著光合作用中的關(guān)鍵化學(xué)步驟。這將改變長期以來對主要的光合作用形式是如何工作的觀點，同時也預(yù)示著將來有可能繼續(xù)發(fā)現(xiàn)其他類型的光合作用。
科學(xué)家也表示，最新報道的這種基于葉綠素-f的光合作用代表了第三種廣泛存在的光合作用類型。但是，它僅適用于陰暗且富含紅外線的特殊環(huán)境中；在正常光照條件下，光合系統(tǒng)仍會使用標(biāo)準的紅光形式進行光合作用。
或應(yīng)調(diào)整外星生命尋找方向
這一發(fā)現(xiàn)不僅有重要的科學(xué)價值，也有積極的實際意義。例如對農(nóng)作物的改造，幫助尋找外星生命等。
“我們可以通過基因改造的方式，讓農(nóng)作物具備在陰暗環(huán)境下生長的可能，但是目前來看還沒有這個必要性。”許曉明說，光照越強轉(zhuǎn)換的能量越多，現(xiàn)階段在地球上種植的農(nóng)作物為了達到較高的產(chǎn)量，需要強光照，即使人類改造出能在夜里生長的農(nóng)作物，實際價值并不大。
但是，對于尋找外星生命來說，這個發(fā)現(xiàn)可謂意義重大。
由于在已知的所有植物、藻類、藍藻細菌中都存在葉綠素-a，因此我們一直認為光合作用有一個“紅光極限”（波長400—700nm），它代表著光合作用所需的最低能量。在天體生物學(xué)中，紅光極限常被用以判斷復(fù)雜的生命是否可能在其他行星上演化的參考之一。
許曉明向記者介紹，通過衛(wèi)星對地球表面植物進行遙感觀測，主要原理就是測定葉綠素-a，而以葉綠素-f為主的新型光合作用將改變傳統(tǒng)觀測模式。這一發(fā)現(xiàn)意味著，或許應(yīng)該調(diào)整尋找外星生命的方向。在一些陰暗的星球上，或許有一些生命體正以我們不知道的光合作用形式頑強地生存著。
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