互动科普

光合作用是地球上最大规模地把太阳能转化为化学能，把无机物二氧化碳和水转变成有机物，并放出氧气的过程。它为几乎所有生命活动提供有机物、能量和氧气。每年地球上通过光合作用合成的有机物约为2200亿吨，相当于人类每年所需能耗的10倍。由此可见，光合作用是地球上最大规模的二氧化碳固碳（碳汇）过程，它是作物和能源植物、生物资源的物质基础。

当今人类文明所需古生物燃料，无论是煤、石油和天然气都是古代植物光合作用直接和间接的产物。光合作用释放的氧气，是地球氧气的主要来源。当今人类面临的粮食、能源、资源和生态环境等问题都和光合作用密切相关，对于人口、粮食、能源、资源和环境均处于重大压力之下的我国，光合作用的研究更具有更为重大的意义。长期以来，光合作用机制的研究是自然科学的前沿，也是生命科学研究的核心问题和热点之一。科学的前沿、科学的核心问题往往是科学本身发展规律与社会需求的交汇点。光合作用研究就是一个明显的例子。

光合作用的研究已经有300多年的历史，在漫长的研究历程中，它的每一个里程碑式的重大突破，都是学科交叉的结晶。光合作用的研究带有明显的时代印记，也成为展示人类智慧及新技术、新思想的重要窗口，从1915年到现在，对该领域及相关的研究已孕育出11位诺贝尔奖得主，显示了极高的基础研究水平。例如，国际上这种多学科交叉的优秀范例，是3位德国科学家J.Deisenhofer、M.Michel和  R.Huber成功地阐明了紫色光合细菌反应中心的三维空间结构，获得了1988年诺贝尔化学奖。在我国，由中科院生物物理所常文瑞领导的研究小组和中科院植物所匡廷云领导的研究小组合作，通过生物化学、结晶学和物理学的交叉、有机结合的研究，成功地在世界上第一次在原子水平上解析了高等植物主要捕光色素蛋白LHCII的空间结构。国际同行认为，这是当代光合作用领域的重大突破。

光合作用高效吸能、传能和转能机制及其调控原理以及碳素同化的代谢网络及调控机制是光合作用研究的核心问题，也是重大的科学理论问题。现已确定，光合作用过程中光能的吸收、传递和转化均是在具有一定分子排列及空间结构并镶嵌在光合膜中的捕光色素复合体和反应中心色素蛋白复合体及有关电子载体中进行的。从光能吸收到原初电荷分离的时间尺度为10^-15～10^-7秒，它包含着一系列光子、电子、离子等传递和转化的复杂的物理和化学过程。

光合作用中光能的吸收、传递和转换是怎样的过程？在分子水平上捕获的太阳能并把它转变为化学能是怎样的反应？与之有关的分子构造（即空间排布）是怎样的？而这种特殊的分子构造又是怎样使光合作用吸能、传能和转能过程的速度和效率如此之高？这些问题的解决要求在分子水平上，将结构与功能紧密结合起来进行研究。

在光合膜系统中，光能传递效率可达94%～98%，光能转化效率几乎可达100%；在可见光推动下，在常温常压下，使水裂解放出氧气来，这些是当今科技还远远达不到的。据预测，对光合作用高效吸能、传能和转能机制的揭示，对光合膜蛋白有关的电子载体空间结构的揭示，将可能使光合膜系统或成为第一个在原子水平上，以物理和化学概念进行解释的复杂的生物膜系统。这不仅能阐明光合作用高效转能的机制，丰富和发展分子体系的电子传递理论，促进生命科学、物理学及化学学科前沿领域的发展，而且突破光合作用机制，挖掘光能吸能、传能和转能的潜力可大幅度提高光合作用光能转化效率，大幅度提高作物及能源植物产量。

对光合作用的太阳能光生物转化产物的利用，可提供生产清洁能源(包括生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气及生物发电等)的原料。仿生模拟光合作用机制可开辟太阳能利用新途径，例如，研制光能转化效率高的生物太阳能电池，以微藻为基础研制光合细胞工厂等，这些全新的概念和思路，对实现农业及可再生的生物能源的可持续发展具有革命性的意义。在21世纪，光合作用机制的研究及其在高新技术中的应用将孕育着重大的突破。

（本文发表于《科学世界》2010年第5期）