揭开“绿色工厂”的谜底

早在一个多世纪以前，科学家就已经知道了光合作用，但真正开始研究光合作用还是在量子力学建立之后，人们也越来越为它复杂的机制深深叹服。

作为地球上最重要的化学反应，光合作用对大多数人来说，好像并没有什么太大的秘密，它的过程无非就是吸收二氧化碳，放出氧气。然而，尽管光合作用的发现距今已有200多年的历史，并且已有多位科学家在光合作用前沿研究上频频摘取诺贝尔奖，但其内在复杂机理仍被重重谜团笼罩。

科学家坦言，要真正揭开“绿色工厂”的全部谜底，仍“路漫漫其修远兮”。

科学家们为什么要对光合作用进行研究呢?这是因为人类所需要的各种生产生活资料都是由光合作用产生的，如果没有光合作用就不会有人类的生存与发展。

所以，对光合作用的研究是一个重大的生物科学问题，同时又与人类现在面临的环境、粮食、信息、材料问题等密切相关。

现在世界上每年通过光合作用产生2200亿吨生物质，相当于世界上所有能耗的10倍。要植物产生更多的生物质，就需要提高光合作用效率。通过高新技术转化，我们甚至可以让有些藻类在光合作用的调节与控制下直接产生氢。根据光合作用原理，还可以研制高效的太阳能转换器。

光合作用与农业的关系同样密切，农作物干重的90%～95%来自光合作用。高产水稻与小麦的光合作用效率只有1%～1.5%，而甘蔗或者玉米的效率则可达到50%或者更高。如果人类可以人为地调控光能利用效率，农作物产量就会大幅度增加。

近年来，空气里面二氧化碳不断增加，产生温室效应。光合作用能否优化空气成分，延缓地球变暖，也很值得探索。光合作用研究，还可以为生物电子器件、仿真模拟、研制生物芯片等提供理论基础或有效途径，对开辟21世纪新兴产业产生广泛而深远的影响。正因如此，使得光合作用研究在国际上成为一大热点难点。

现在，科学家们已经知道，光合作用的吸能、传能和转化均是在具有一定分子排列及空间构象、镶嵌在光合膜中的捕光及反应中心色素蛋白复合体和有关的电子载体中进行的。但是让科学家们觉得不可思议的是，从光能吸收到原初电荷分离涉及的时间尺度仅仅为10-15～10-17秒。这么短的时间内却包含着一系列涉及光子、电子、激子、离子等传递和转化的复杂物理和化学过程。

更让人惊奇的是，这种传递与转化不仅神速，而且高效。在光合膜系统中，在最适宜的条件下，传能的效率可高达94%～98%，在反应中心，只要光子能传到其中，能量转化的量子效率几乎为100%。这种高效机制是当今科学技术远远不能企及的。

那么，光合系统这个高效传能和转能过程究竟是如何进行的?其全部的分子机理及其调控原理究竟是怎样的?缘何如此高效?这些都是多年来始终困扰着众多科学家的谜团。

有科学家说:要彻底揭开这一谜团，在很大程度上依赖于合适的、高度纯化和稳定的捕光及反应中心复合物的获得，以及当代各种十分复杂的超快手段和物理及化学技术的应用与理论分析。事实上，当代所有的物理、化学最先进设备与技术都可以用到光合作用研究中。

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光合作用的另外一个谜团是:生化反应起源是自然界最重大的事件之一，光合作用的过程是一系列非常复杂的独立代谢反应，它究竟是如何演化而来的?美国亚利桑那州立大学的生化学家罗伯特教授说:“我们知道这个反应演化来自细菌，大约在25亿年前，但光合作用发展史非常难于追踪。有多种光合微生物使用相同但又不太一样的反应。虽然有一些线索能把它们联系在一起，但还是不清楚它们之间的关系。”罗伯特教授等人还试图透过分析5种细菌的基因组来解决部分的问题。他们的研究结果说明，光合作用的演化并非是一条从简至繁的直线，而是不同的演化路线的合并，把独立演化的化学反应混合在一起。也许，他们的工作会给人类这样一些提示:人类也可能通过修补改造微生物产生新生化反应，甚至设计出物质的合成反应。这样的工作对天文生物学家了解生命在外星的可能演化途径，也大有裨益。

我国著名科学家匡廷云院士曾深有感触地说:“要揭示光合作用的机理，就必须先搞清楚膜蛋白的空间构象和分子排列。这方面我们最新取得的原创性成果就是提取了膜蛋白，完成了LHC-Ⅱ三维结构的测定。由于分子膜蛋白是镶嵌在脂质双分子膜里面的，疏水性很强，故而难分离，难结晶。”现在，中国科学院植物所经过多年努力已经提取了这种膜蛋白，在膜蛋白研究上，我国已经能够与世界并驾齐驱。

那么是否可能会有那么一天，人们能够模拟光合作用从工厂里直接获取食物，而不再一味依靠植物提供呢?科学家们认为，这在近期内是不可能的，因为人类对光合作用的奥秘并不真正了解，还有很多问题需要进一步弄清楚，要实现人类的这一长远理想，可能还要付出更为艰辛的努力。