《Science》：新型光合作用被發現，有望改寫教科書！

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近日，科研人員發現了新型光合作用。該發現改變了人們對光合作用基本原理的認識，甚至可能改寫課本。

這一發現為我們搜尋外星生命量身定製了新方式，同時，此發現還為人們設計新作物提供了思路，使得這些作物能夠利用更長的光波。

此項研究於 14 日發表於《科學》雜誌，由倫敦帝國理工學院牽頭，得到了英國生物技術與生物科學研究理事會（BBSRC）的支持。來自堪培拉澳大利亞國立大學（ANU）、巴黎及薩克萊法國科學研究中心、以及米蘭國家研究委員會的科研團隊也參與了此次研究。

圖｜海灘岩石的橫截面（澳大利亞 Heron 島）顯示含有葉綠素-f 的藍藻（綠色帶）可深達岩表下數毫米

地球上，絕大多數的生命在進行光合作用時所利用的都是可見紅光，但此種新型的光合作用則利用了近紅外光。這種新型光合作用發現於大範圍的藍藻（藍綠藻）中。在像黃石公園細菌墊及澳大利亞海灘岩石等陰暗環境，這些藻類也能在近紅外光下生長。

正如科學家們所發現的一樣，在倫敦帝國理工學院配有紅外 LED 的壁櫥內，它們也能生長。

超越了紅光限制的光合作用

標準的、幾乎所有類型的光合作用都要用到綠色素——葉綠素-a 來收集光線，並利用光能製造出有用的生化物質及氧氣。這種葉綠素-a 吸收光的方式意味著只有紅光產生的能量才能被光合作用所利用。

由於葉綠素-a 存在於已知的所有植物、藻類及藍藻中，因此，人們普遍認為，紅光的能量為光合作用設置了「紅光限制」。所謂「紅光限制」就是在產生氧氣的化學過程中所需要的最少能量。在天體生物學中，「紅光限制」可用於判斷其他太陽系行星中能否演化出複雜生命。

然而，這些在近紅外光下生長的藍藻打破了葉綠素-a 一統天下的局面，其他葉綠素，葉綠素-f 登上了歷史舞台。

在此之前，人們曾認為葉綠素-f 只能吸收光線。此項新研究表明，其實恰恰相反，在陰暗條件下，葉綠素-f 在光合作用中大有用武之地，它可以利用低能量紅外光來進行複雜的化學反應。這也就是所謂超越了「紅光限制」的光合作用。

研究帶頭人、帝國理工學院生命科學部的首席研究員 Bill Rutherford 教授表示：「這種光合作用的新形式引發了我們對之前認為可能事情的新思考，同時，也改變了我們對標準光合作用核心的認識，是一項改寫教科書的發現。」

圖｜擬甲色球藻狀（Chroococcidiopsis-like）細胞集落，其光合作用由葉綠素-a（品紅）和葉綠素-f（黃）驅動

防止光損傷

早前，人們曾發現，另一種藍藻—— Acaryochloris 也可進行不受紅光限制的光合作用。但是，由於其僅發生在單一物種內，而且生長地特殊，故被認為是「特例」。該藍藻生活中綠色海鞘底部。那裡隔絕了除近紅外光之外的大部分可見光。今日報道的基於葉綠素-f 的光合作用代表了第三種廣泛存在的光合作用。然而，這種光合作用仍僅存在於特殊的紅外光豐富的陰暗環境中；在正常光照條件下，仍採用標準紅光形式的光合作用。

有人認為，超出「紅光限制」會導致更為嚴重的光損傷，但新的研究表明，在穩定的陰暗環境中，光損傷並非問題所在。

聯合作者、帝國理工學院生命科學部的 Andrea Fantuzzi 博士說：「紅光外光合作用的發現改變了我們對光合作用能量要求的認識。這為我們利用光能、避免光損傷提供了新思路。」

這些新思路對研究人員對研究人員來說大有裨益。根據這些新思路，他們可以設計出新作物，使之能夠利用更光譜的光進行更為有效的光合作用。藍藻通過光亮變更保護自身免受光害。現在，這一方式也可幫助科研人員判斷其作物設計的可行性。

改變教科書般的見解

這個基於葉綠素-f 的新系統比之前標準的葉綠素 -a 系統顯示出了更多細節。通常認為的所謂「輔助」葉綠素實際上是化學作用的關鍵步驟，而非課本上所稱的複雜生物中心的葉綠體「特殊對」。

這表明這種模式適用於其他類型的光合作用。這一發現將改變教科書中關於光合作用主要工作形式的介紹。

這項研究的發起人和第一作者 Dennis Nürnberg 博士說：「我從沒想過我對藍藻及其不同生活方式的興趣像滾雪球般越滾越大，最終改變了我們對光合作用的理解。太神奇了，大自然還有多少奧秘等著我們去發現呢？」

BBSRC-UKRI 前沿生物科學負責人 Peter Burlinson 說：「這是光合作用方面的一大重要發現。光合作用在作物生物學中舉足輕重，而作物是全世界的命脈。這樣的發現拓展了人們對生命的認識。Bill Rutherford 教授和帝國理工學院的團隊應該為揭示這個基礎過程的全新視角而深感自豪。」