在电脑里淘旧货，居然找到1999年写的关于光合作用的文章

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果农的爱腰好，胃口就好 <<<2001年10月的一篇文章，记我一个死去的高中同学 | 首页 | 在电脑里淘旧货，居然找到1999年写的关于光合作用的文章可怜，我现在已经狗屁不懂了。探索地球上最重要的化学反应当10年前三位德国科学家――J・Desisenhofer，M・michel和R・Huber――因为第一次成功地用X―光衍射技术探明了一种紫色光合细菌的光合色素原子空间结构而荣获诺贝尔奖时，瑞典科学院权威式的评语将光合作用称为“自然界最大规模的能量转化和物质合成过程，地球上最重要的化学反应”，即使对细菌这种自然界能够发生光合作用的最低等和最微不足道生物的研究，也因此而被认为是20世纪足以标炳科学史的卓越进步。从人类的生存与发展的角度来讲，光合作用确实称得上是这个星球上最为重要的生化过程。绿色植物利用太阳光能把二氧化碳和水合成有机物并放出氧气的这个过程，不仅维持着世界人口与日俱增的呼吸与生命，作为地球上目前唯一大规模将太阳能转变成可储存化学能的巨型能量转换站，它每年同化的太阳能相当于人类所需能源的100倍；光合作用每年还将吸收7000亿吨二氧化碳，合成5000亿吨有机物。亿万年积累下来的光合产物组成了地球所有生物系统面对的自然，然而，这样的一个无所不在、无时不在的宏伟工程对饴享福祉的人们仍保有着不合时宜的神秘感，即使在科技充满革命性进步的今天，人们仍然无法确知，在分子层面上，绿色植物如何高速地完成从吸能、传能到转能的一系列物理化学过程，与之相关的分子空间排列也不得而知。自从Andreas Franz WihelmSchimper于1885年用显微镜发现并命名了叶绿体（chloroplast）以来，科学家们试图人为重复光合作用的努力从来没有停止过，但即使是将水裂解为氢离子并放出氧气这一光合作用的起始步骤，目前人工条件下也需要外加电源，而事实上，绿色植物可以在任何条件下――甚至在液态氮的温度下轻易完成。在自然的光合膜系统中，10（-7）至10（-15）秒内完成的吸能和传能过程的效率可以高达94%―98%，在光合反应中心能量转化的效率更几乎为100%。在常温常压下能量的传递和转化效率如此之高，是当今科技所远远不能达到的。更重要的是，被绿色植物和藻类吸收储存的用之不尽的太阳能量中，被有效利用的远远小于1%， “这是一个非常小的数字，可以想象，任何一点进步都可能获得很大的效益。”中国科学院的植物生理生化学家匡廷云说，这位老资格的中科院院士刚刚被选定为中国植物光合生理领域的首席科学家，她率领的一支由生理学家、光谱物理学家和生物化学家组成的课题小组被公认为国际上该领域最为活跃的8个研究小组之一。1998年底，国家科技部将匡先生和她的同事们所从事的“光合作用高效转能的机理及其在农业中的应用”列入15个国家重点基础研究发展规划项目之一。按计划，这非同寻常的15个项目将在5年内总共累计获得国家25亿元的巨额资助。 “我们对光合作用高效吸能、传能、转能分子机理及其调控原理的研究将为农业的大幅增产提供理论上的依据和途径。”匡先生说。由于象小麦、水稻这样中国农村主要的种植作物，即便是高产品种的光能利用效率也只有1―1.5%，匡博士踌躇满志但又不失谨慎地告诉记者，即使吸收、传递和转化这三大过程的实际效率分别只提高0.5个百分点，大田作物的光能利用效率就将在现有基础上提高25%―30%。“是在现有基础上提高25%―30%，决不是从1%―1.5%提高到25%―30%，”匡先生一再强调这一字之差的区别，但这种千分之一水平上的提高也不啻于一场可与远缘杂交相媲美的农业革命，因为它预示着粮食产量25%―30%的增收。匡廷云组织了8个攻关课题组，成员来自中科院系统的植物、植物生理、物理、化学、发育、光机、物质结构7个研究所和清华大学、北京大学、中国农业大学、北京农科院、黑农江农科院等16个科研机构，包括4位两院院士。100多位科学家将在5年内以多学科交叉的方式向揭示光合作用的微观世界发起新一轮的努力。他们中的很多人为这个目标已经工作了几十年。 “94%―98%和100%的高效率是在植物光合膜系统和反应中心出现的，而在大田环境下，能量的耗散惊人地严重。”匡廷云院士的助手、中科院植物所光合作用研究中心主任李良璧研究员介绍说，紫外和红外光――约占普照大地的阳光的47%――不能被高等绿色植物吸收光合，而在可被利用的剩余53个百分点的可见光范围内，不能充分吸收的又占去16个百分点，吸收后激发能不能有效传递的占9%，传递后未能转化为稳定的化学能的占19个百分点，再加上植物代谢消耗掉的4%，由生物物质积累的净光合效率只有不到5%。“很明显，我们的任务就是分子水平上阐明光合系统中高效吸能、传能、转能这一系列超快过程的微观动力学和调控机理，为作物超高产大幅度提高光能效率提供理论依据。”李良璧说， 100多年来，人们对光合作用已经有了一个轮廓式的认识。用电子显微镜观察叶绿体的精细结构表明，一个典型的高等植物成熟叶绿体（一般每个叶肉细胞内含有20―200个），其膜内可以明显划分为间质和类囊体两个区域，前者是合成光合产物――碳水化合物的场所，后者是光合膜的形象化称呼，由两层厚度约为7纳米的膜围成的这种扁平小囊成十上百地象镍币一样垛叠为40――60个基粒或者基质，叶绿色素分子与疏水蛋白就紧密有序地镶嵌于囊中。现在已经知道，叶绿素分子按照功能可以分为反应中心色素分子和捕光色素分子，前者可以完成吸能、传能和转能这三大光合步骤，而后者只能吸能、传能，当一个捕光色素分子吸收一个光子，被激活而处于高能状态，但这种状态极不稳定，10（-9）秒之内就将激发能传递给邻近30纳米以内的捕光色素分子，依次类推，直至能量被汇集到一个反应中心色素分子，由它进行随后的光化学反应。人们还能够确认的是，光合作用包括两个光化学发应，分别由两个色素系统推动，一个系统吸收短波红光，负责水的光氧化释放O2,称为光系统2（PS―2），另一个色素系统吸收长波红光，负责催化生成高能物质NADPH2。这两个光反应被大量实验证明为以串联方式协同进行的。（见图示）（图示：目前公认的光合氧化还原反应和电子传递图示是1960年由英国学者Hill 和Bendall首次提出的，由于其图形颇似字母Z，故不断加以补充的后人将其称为“Z方案”。光反应发生时，光系统2的反应中心色素分子P680被传递或吸收来的光子激发，失去电子，其原初电子受体Q接受电子被还原，P680本身被氧化而带上正电荷，它通过原初电子供体Z夺取水中的电子，致使水放出氧气和氢离子。光系统1的反应中心色素分子P700被激发后同样失去电子，使其原初电子受体X（一种Fe―S蛋白复合物）还原，再传递电子给铁氧化素Fd，在酶的催化下将NADP还原成高能物质NADPH2。而P680的原初电子受体Q被还原后又将电子传与PQ（一种质体醌），通过Fe―S蛋白、电子载体细胞色素Cytf和P700的原初电子供体PC（质蓝素），电子又被传给P700，使两个光反应相串联，这个连接过程的另一重要作用是偶联光合磷酸化，即以电子传递中产生的膜内外电位差和质子浓度差为ADP生成高能物质ATP提供动力。）然而，这种宏观上的了解不能掩盖当代科学对整个光合系统微观运转的苍白无知，人工模拟光合作用和人工合成叶绿素的目标依然遥遥无期。“比如我们不知道关键的光反应系统2的电子供体Z究竟是什么。”李良璧说。“我们曾认为这一系统的原初电子受体Q是一种特殊的质体醌分子，但20年前就有实验证明可能还存在着一个中间体，但到现在人们还没有能够分离提纯。” 同样的问题还出现在有关激发能以何种方式在捕光色素分子和反应中心色素分子之间传递的研究中。现在公认的解释是“诱导共振”，即激发能像声波的共振或共鸣一样诱导邻近的色素分子受激发。同样有实验证明，在色素分子聚合体里，一个电子的激发态不一定约束于邻近的一个色素分子里，它可能与几百个或甚至几千个分子之间有关系。这些问题都可望在匡廷云和她的同事们的研究中获得答案。“能量的吸收、传递、转化和光诱导电荷分离这个光合作用的原初反应是一个十分复杂的物理和化学过程。而且速度非常之快，在一毫微秒内即可完成。”匡廷云说，然而由于各种超快光谱及超高速脉冲激光等物理手段的引入，使探明光合系统高效吸能、传能和转能超快过程的微观机理成为可能。匡廷云等生化学家和中科院西安光机所、物理所的研究人员一起，将计划以脉冲激光为替代光激发手段，采用飞秒及皮秒时间分辨的超快光谱跟踪探查这一超快过程的时间进程和空间途径。科学家们希望以此建立捕光色素分子能量高效传递的具有多样性的理论模型和光系统能量转化的微观动力学模型。科学家们清楚，揭示能量传递和转化机理的努力，离不开对各种光合膜叶绿素蛋白的结构分析。正如大家知道的，迄今为止，人类只成功探明了一种光合细菌的反应中心色素蛋白的空间组织形式。“而对于进化程度更高的高等植物来说，其光合作用的机理更复杂，更为多样，层次和效率必然也会更高。”匡廷云说。有关色素分子的物理化学结构，现在知道的确实太少。直到最近，研究人员仍然看不出捕光色素分子和反应中心色素分子的构成究竟有什么分别，只是知道，前者的数量大概是后者的250―300倍。一种推测说，可能是因为二者所处的环境有所不同，但这种解释显然无法让人信服。匡廷云等人希望，仿照三位1988年诺贝尔奖获得者的研究思路，由晶体学家采用蛋白质电子晶体学的手段分离提纯2―4种色素蛋白复合体，在保持天然活性和原有基因定位、序列排布的状态下，用X－衍射方法测定其高分辨率投影结构和空间三维，再由生化学家根据不同的空间结构完整分析其与高效光能吸收、传递和转化的不同关系。有关光合膜中重要色素蛋白空间结构与功能的揭示显然是匡廷云等人此次项目中最为艰难、也最具科学价值的内容，8个课题组中的5个正在为此而展开努力。他们中的一些人还担负着探索激发能在两个光系统之间均衡分配、维持高效转能的调控规律的任务。由于两个光系统是以串联的方式协同进行的，很显然，为了达到最适的光能转换效率，必须要求光能在两个光系统之间有大致等量的分配。科学家们一般认为，一种名叫Cytb6的电子载体在其中起到平衡的作用，这个举轻若重的分子也因此进入科学家们的视野。正如匡廷云等科学家们所一再强调的，对光合系统色素分子空间结构与功能的把握，对光合作用高效能量转换微观机理的深入探知，都将为农业生产中调控和提高作物光能利用效率展开光明的前景。他们此次选择了水稻、小麦、玉米和大豆这4种国内主要种植的大田作物，研究不同基因型和不同生境的作物光能利用效率和抗光氧化、光抑制等能力上的差异。研究者们希望，研究不同作物光合效率的基因遗传性，可以为相应的亲本优化组合的选择，探索提高光效的基因工程和蛋白质工程提供新思路和途径。比如通过交换某些基因，将不同来源的优良基因导入同一植物，或采用定点突变的技术，改变作物能量利用活性，甚至可以用更有效的突变基因取代的方法，提高光能利用效率。另外，由于水稻和小麦是C3植物，玉米是C4植物，而大豆的光合过程又与固氮作用相偶联，这一比较研究必然会丰富我们对光合微观机理把握的的多样性。在21世纪初，使光合作用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系统，科学家们正在实践着他们的这一伟大梦想。它无疑是异常艰难的，但充满了科学所特有的神秘，和激动人心的魅力。朝着它的每一个微小的进步都将功德无量。 guonong @ 2004-12-05 06:11 引用Trackback(0) | 编辑评论发表评论最后更新在电脑里淘旧货，居然找到1999年写的关于光合作用的文章 2001年10月的一篇文章，记我一个死去的高中同学找到了4年前到上海听罗大佑演唱会前写的一篇文章律师的使命一份让包括法官法警在内的当庭者动容的辩护