超纲了！颠覆光合作用理论，科学家提示此处应改教科书

这一发现改变了我们对光合作用的基本机制理解，应该重写教科书。它还将改变我们寻找外星生命的方式，以及如何利用更长波长的光来设计工程作物。

　　

这项发表在《Science》杂志的最新文章由帝国理工学院领导，澳大利亚、法国和意大利等国的研究小组参与合作。

地球上，绝大多数使用光合作用的生物利用的是可见红光，科学家们新发现的光合作用类型使用的却是近红外光（near-infrared）。

研究人员在一种分部广泛的蓝藻（cyanobacteria）中检测到了这种光合作用。神奇的是，这种天然的生命过程与橱窗中闪耀着的红外发光二极管（LEDs）中发生的过程竟是一样的。

生长在澳大利亚海滩岩石上的蓝藻

超出红光限制的光合作用

标准的光合作用（建议打开《必修一 第五单元 第四节：能量之源——光与光合作用》 ）需要依赖叶绿素a（chlorophyll-a）收集光能以制造生化物质和氧气。叶绿素a吸收光的方式注定普遍的光合作用只能利用红光能量。

我们知道所有植物都含叶绿素a，包括藻类和蓝藻。我们曾天真地认为红光能量是光合作用的“红光极限（red limit）”，换句话说，这是生物制造氧气所需的最小能量限制。因此，天体生物学家将红光极限设定为判断其他太阳系行星是否有生命进化的条件之一。

一些蓝藻在近红外光下生长时，标准的叶绿素a系统就会关闭，然后由不同种类的叶绿素、叶绿素f系统接管。长期以来，人们一直认为叶绿素f只负责采光。新研究表明，叶绿素f在阴暗条件下分明是光合作用的主力，它们利用更低能量的红外光进行复杂的化学反应。这惊掉了科学家的下巴：光合作用超越了“红光极限”。

项目领导者帝国理工学院研究生院生命科学系教授Bill Rutherford说：“新光合作用类型动摇了我们过去的认识，它也改变了我们‘所谓的’标准光合作用核心事件机理。这是一个改变教科书式的新发现。”

不同颜色染料标记的不同种类的叶绿素

其实，此前科学家们曾发现，另一种名为Acaryochloris的蓝藻已经超出了红光极限，但是，这个物种来自某个非常特殊的栖息地，导致科学家们以为这只是“偶然发现”。（ Acaryochloris生活在一个绿色的海水喷射器中，这里缺乏大部分可见光，只有近红外线。）

今天发表的《Science》文章报道，这种基于叶绿素f的光合作用实际上代表着自然界中广泛存在的第三类光合作用。它的应用场景是阴暗且红外光资源丰富，正常光照条件，植物们仍采用标准的红光光合作用系统。

过去人们认为超出红光极限的光线会对植物造成严重损害，但新发现证明，在稳定的阴暗环境中，这根本不是问题。

文章作者Andrea Fantuzzi博士说：“这种形式不仅改变了我们对光合作用能量需求的理解，而且指出了一条‘利用光能，同时保护细胞系统免受光损伤’的机制。”

这对作物改良工程师来说大有用处，他们可以从蓝藻身上学习如何保护自身免受光能变化造成损害，开发利用更广泛光线的作物。

关于改教科书

新系统中蕴含一些与标准叶绿素a系统不同的细节。过去被称为“副”叶绿素的叶绿素们实际上执行着关键的化学步骤，而不仅仅是教科书中所描述的“光合作用反应中心的其他对叶绿素”。

这说明还可能存在其他类型的光合作用，这些方式将颠覆教科书对光合作用的主导描述。

“我没想到我对蓝藻多样化生活方式的兴趣会像滚雪球一般变成一个重大发现，”文章一作Dennis Nürnberg博士说。“令人鼓舞的是，自然界中仍存在等待被发现的新东西。”

原文检索：Photochemistry beyond the red-limit in chlorophyll f-containing photosystems

（生物通：伍松）