2019-02-21 10:10:14
第二看臺(tái)
從17世紀(jì)中葉發(fā)現(xiàn)光合作用以來(lái)，有可見(jiàn)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(xiàng)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(lán)藻細(xì)菌在光合作用過(guò)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(jiàn)光”。
“這個(gè)發(fā)現(xiàn)極大地拓展了我們對(duì)光合作用的認(rèn)識(shí)，按照這個(gè)思路，人類可在基本沒(méi)有可見(jiàn)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?qǐng)?bào)記者。
生命與水、光之間的奇妙關(guān)系
綠色植物利用太陽(yáng)的光能，同化二氧化碳和水制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過(guò)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(jì)中葉，歐洲科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)植物、動(dòng)物與水、光、二氧化碳之間存在著奇妙的關(guān)系，這是人類對(duì)光合作用最早的認(rèn)識(shí)。后來(lái)，1771年被稱為光合作用發(fā)現(xiàn)年。
“人類在20世紀(jì)對(duì)光合作用有了深入地科學(xué)認(rèn)識(shí)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)光合作用是通過(guò)光合色素完成的。”許曉明說(shuō)，太陽(yáng)光有赤橙黃綠青藍(lán)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(fù)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(jìn)行電荷分離，轉(zhuǎn)換成有機(jī)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(jiàn)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)和氧氣的過(guò)程。
而人們又發(fā)現(xiàn)，光合色素只能吸收太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光。具體來(lái)說(shuō)，是吸收可見(jiàn)光中的紅光和藍(lán)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(lái)自英國(guó)帝國(guó)理工生命科學(xué)系的研究人員發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)黃石公園的細(xì)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(lán)藻細(xì)菌。由于它周圍幾乎沒(méi)有可見(jiàn)光，含有葉綠素-a的標(biāo)準(zhǔn)光合作用系統(tǒng)就會(huì)失效，從而被葉綠素-f接管。
葉綠素-f能吸收波長(zhǎng)大于760nm的光，是已知能吸收最大波長(zhǎng)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(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。
當(dāng)處于陰暗條件下時(shí)，葉綠素-f就會(huì)在光合作用過(guò)程中起著關(guān)鍵性作用，它能利用能量很低的近紅外光來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。
“這是一項(xiàng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)光合作用中的核心事物的理解。” 許曉明認(rèn)為，過(guò)去常被視為配角的葉綠素-f，實(shí)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(zhǎng)期以來(lái)對(duì)主要的光合作用形式是如何工作的觀點(diǎn)，同時(shí)也預(yù)示著將來(lái)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(bào)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(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)的紅光形式進(jìn)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(jià)值，也有積極的實(shí)際意義。例如對(duì)農(nóng)作物的改造，幫助尋找外星生命等。
“我們可以通過(guò)基因改造的方式，讓農(nóng)作物具備在陰暗環(huán)境下生長(zhǎng)的可能，但是目前來(lái)看還沒(méi)有這個(gè)必要性。”許曉明說(shuō)，光照越強(qiáng)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(dá)到較高的產(chǎn)量，需要強(qiáng)光照，即使人類改造出能在夜里生長(zhǎng)的農(nóng)作物，實(shí)際價(jià)值并不大。
但是，對(duì)于尋找外星生命來(lái)說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可謂意義重大。
由于在已知的所有植物、藻類、藍(lán)藻細(xì)菌中都存在葉綠素-a，因此我們一直認(rèn)為光合作用有一個(gè)“紅光極限”（波長(zhǎng)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(guò)衛(wèi)星對(duì)地球表面植物進(jìn)行遙感觀測(cè)，主要原理就是測(cè)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(cè)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(qiáng)地生存著。
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