Nature等两项研究发现特殊“光合作用”

　　

生物通报道：光合作用对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要的，不可或缺的，但是近期两个研究组分别从细菌和人工叶子两个方面找到了不一样的“光合作用”。

光合作用（Photosynthesis）是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。这个过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要的，不可或缺的，因此光合作用也历来是科学家们关注的焦点。

来自上海交通大学的范同祥博士研究组发明了一种基于天然叶子的化学和生物学的新方法，可以利用大自然的用阳光和水制造能源的能力，这可能带来人工叶子的可行的原型，它们能够捕捉太阳能并用它有效地把水变成氢燃料。

利用阳光把水分解成它的组成部分——氢和氧——是摆脱目前对煤、石油和其他传统能源的依赖的最有前景和可持续的手段。当燃烧这些燃料的时候，它们会释放出二氧化碳，这是主要的温室气体。相比之下，氢的燃烧仅仅形成水蒸汽。这一吸引力是被人们广为讨论的"氢经济"的关键，而且一些汽车公司（例如丰田）已经开发出了氢燃料汽车。然而，目前缺乏的是生产氢的有性价比的可持续方法。

为了解决这个问题，研究人员决定详细研究大自然的光合作用系统——叶子，打算利用它的结构作为他们的下一代人工系统的蓝图。不那么令人吃惊的是，绿叶的结构为他们提供了一种极高的光收获效率。在它们的架构中有负责把太阳能聚焦和导向叶子的收获光的部分的结构和其他功能。

这组科学家在开发一种类似于叶子的人工结构的蓝图的时候决定模仿这种自然的设计。这导致了他们报告了 "人工无机叶"（AIL）的配方，这种叶子是建立在天然叶子和二氧化钛（一种被认为是制造氢的光催化剂的化学物质）的基础上的。

这组科学家首先用一种两步的过程让二氧化钛渗透进野棉花（Anemone vitifolia，一种原产于中国的植物）的叶子。利用先进的分光镜技术，这组科学家然后能够确认叶子中的用于收获阳光的结构特征被新的二氧化钛结构复制。令人兴奋的是，这种AIL的制造氢的活性是没有经过"生物模板化"的二氧化钛的8倍。AIL的活性也是商品光催化剂的3倍以上。接下来，这组科学家向这些叶子的表面嵌入了钯的纳米颗粒。钯以及在叶子中天然存在的氮把人工叶子的活性又增加到10倍。

另外一项研究由荷兰的科学家完成，他们在Nature文章中公布了最新研究成果：发现一种可以自产氧气供自己呼吸的细菌。这一发现有助于对地球生命演化和寻找外星生命等方面的研究。

这种细菌能在完全没有氧气的环境中生存，但同时其体内又具备需要氧气才能完成的新陈代谢机制。研究显示，这种细菌是靠一种特殊的酶将氮氧化物分解为氮气和氧气，然后利用氧气和甲烷反应产生的能量而生存。

以前专家只知道光合作用等有限的几种生物制造氧气的原理，但在地球生命演化史上有遗迹表明，在植物光合作用大量产生氧气之前，就存在一些呼吸氧气的微生物，这曾在学术界引起不少争论。研究人员认为，这项发现又提供了一种新的可能，即某些微生物可以自己制造氧气供自身呼吸。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria

Only three biological pathways are known to produce oxygen: photosynthesis, chlorate respiration and the detoxification of reactive oxygen species. Here we present evidence for a fourth pathway, possibly of considerable geochemical and evolutionary importance. The pathway was discovered after metagenomic sequencing of an enrichment culture that couples anaerobic oxidation of methane with the reduction of nitrite to dinitrogen. The complete genome of the dominant bacterium, named ‘Candidatus Methylomirabilis oxyfera’, was assembled. This apparently anaerobic, denitrifying bacterium encoded, transcribed and expressed the well-established aerobic pathway for methane oxidation, whereas it lacked known genes for dinitrogen production. Subsequent isotopic labelling indicated that ‘M. oxyfera’ bypassed the denitrification intermediate nitrous oxide by the conversion of two nitric oxide molecules to dinitrogen and oxygen, which was used to oxidize methane. These results extend our understanding of hydrocarbon degradation under anoxic conditions and explain the biochemical mechanism of a poorly understood freshwater methane sink. Because nitrogen oxides were already present on early Earth, our finding opens up the possibility that oxygen was available to microbial metabolism before the evolution of oxygenic photosynthesis.

作者简介：

范同祥
研究方向 1.生物模拟材料2.特种结构金属基复合材料
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个人简介

范同祥, 男，1971年7月生，博士，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室教授。主要从事基于生物结构功能复合材料、特种功能金属基复合材料制备科学研究工作。1999年获上海交通大学和日本大阪大学联合培养博士学位。1998年－2001年先后在日本大阪大学从事复合材料和日本科学技术厅从事新型功能陶瓷博士后工作。作为主要人员近年来参加国家自然科学基金重点项目“复合材料制备科学研究”、教育部“跨世纪人材”基金等研究。作为项目负责人近年来主持承担或完成国家自然科学基金2项、国防预研航天支撑技术基金、教育部新世纪优秀人才计划、教育部优秀青年教师资助计划、霍英东基金优选资助课题、教育部留学回国人员基金、上海市基础研究重点项目和重大项目、上海市科委纳米专项、上海市科委高新引导项目等研究。兼任中国材料研究学会青年委员会理事、中国有色金属学会材料科学与工程委员会委员和多种国内外期刊审稿人。所开展研究先后获上海市自然科学一等奖（2006年）、山东省科技进步二等奖（1997年）、日本AIEJ Scholarship（1998年）、日本科技厅STA Fellowship（2000年）、教育部“优秀青年教师资助计划”（2002年）、“全国优秀博士论文提名奖”（2002年）、上海市优秀博士论文奖（2003年）、“霍英东基金优选资助课题”（2003年）、教育部首批“新世纪优秀人才资助计划”（2004年）、上海市科技启明星资助计划（2005年），上海市教育委员会“曙光学者”（2008年）。目前在Prog. Mater. Sci.、Adv. Funct. Mater. 、J. Mater. Chem.、Chem. Mater.、Acta Mater.、J Am Ceram Soc、J Eur Ceram Soc、Carbon、Micropor Mesopor Mat、Nanotechnology、Scripta Mater、J. Mater. Res.等专业期刊上发表论文100余篇。授权或公开国家发明专利12项。
研究方向：(1):生物模拟材料；(2): 特种结构金属基复合材料； (3): 材料/资源/环境
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