研究人员“破解”了光合作用的最早阶段，这是为地球上绝大多数生命提供动力的自然机器，并发现了从该过程中提取能量的新方法，这一发现可能会导致产生清洁燃料和可再生能源的新方法.

由剑桥大学领导的一个由物理学家、化学家和生物学家组成的国际团队能够以超快的时间尺度在活细胞中研究光合作用——植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程：百万分之一百万分之一秒。

尽管它是地球上最著名和研究最透彻的过程之一，但研究人员发现光合作用仍然有很多秘密要讲。研究人员使用超快光谱技术研究能量的运动，发现可以从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段进行，而不是像以前认为的那样晚得多。这种光合作用的“重新布线”可以改善它处理过剩能量的方式，并创造新的、更有效的方式来使用它的能量。结果发表在《自然》杂志上。

“我们对光合作用的了解并不像我们想象的那么多，我们在这里发现的新电子转移途径完全令人惊讶，”负责协调这项研究的剑桥大学 Yusuf Hamied 化学系的 Jenny Zhang 博士说。

虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用它来帮助解决气候危机，例如，通过模仿光合作用过程从阳光和水中产生清洁燃料。

张和她的同事们最初试图理解为什么一种叫做醌的环状分子能够从光合作用中“窃取”电子。醌在自然界中很常见，它们可以很容易地接受和释放电子。研究人员使用一种称为超快瞬态吸收光谱的技术来研究醌在光合蓝藻中的行为。

“在光合作用的早期阶段，没有人正确研究过这种分子如何与光合作用机制相互作用：我们认为我们只是在使用一种新技术来证实我们已经知道的事情，”张说。“相反，我们找到了一条全新的途径，进一步打开了光合作用的黑匣子。”

研究人员使用超快光谱观察电子，发现发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“泄漏的”，从而使电子逸出。这种渗漏可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的伤害。

“光合作用的物理学令人印象深刻，”来自剑桥卡文迪什实验室的共同第一作者 Tomi Baikie 说，“通常，我们研究高度有序的材料，但观察细胞中的电荷传输为发现自然如何运作的新发现提供了非凡的机会。 ”

“由于光合作用产生的电子分散在整个系统中，这意味着我们可以访问它们，”共同第一作者 Laura Wey 博士说，她在生物化学系工作，现在在图尔库大学工作，芬兰。“我们不知道这条途径的存在这一事实令人兴奋，因为我们可以利用它来提取更多的可再生能源。”

研究人员表示，能够在光合作用过程的早期提取电荷，可以在操纵光合作用途径以从太阳产生清洁燃料时使该过程更有效。此外，调节光合作用的能力可能意味着可以使作物更能耐受强烈的阳光。

“许多科学家试图从光合作用的早期点提取电子，但他们说这是不可能的，因为能量被埋藏在蛋白质支架中，”张说。“我们可以在更早的过程中窃取它们这一事实令人兴奋。起初，我们以为我们犯了一个错误：我们花了一段时间才说服自己我们已经做到了。”

这一发现的关键是使用超快光谱学，这使研究人员能够在飞秒级(千分之一万亿分之一秒)内跟踪活光合细胞中的能量流动。

“这些超快方法的使用使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，地球上的生命赖以生存，”生物化学系的合著者克里斯托弗·豪教授说。

该研究部分得到了工程和物理科学研究委员会 (EPSRC)、英国研究与创新 (UKRI) 的生物技术和生物科学研究委员会 (BBSRC) 以及大学温顿可持续物理学项目的支持剑桥大学、剑桥联邦、欧洲和国际信托基金以及的地平线 2020 研究和创新计划。Jenny Zhang 是 Yusuf Hamied 化学系的 David Phillips 研究员，也是剑桥科珀斯克里斯蒂学院的研究员。Tomi Baikie 是卡文迪什实验室的纳米未来研究员。Laura Wey 是图尔库大学的诺和诺德基金会博士后研究员。