據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月5日（北京時間）報道，一個由瑞典、德國等多國人員組成的小組，利用短脈沖X射線分析看到了植物進行光合作用的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鈣在水分解過程中極為重要，是構(gòu)建人工光合系統(tǒng)的關(guān)鍵“建材”。這一方法為理解自然界植物的光合作用、光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機制并最終實現(xiàn)人工光合作用提供了新途徑。論文發(fā)表在近日出版的《美國國家科學(xué)院學(xué)報》上。

光合作用可分兩步進行：第一步為光反應(yīng)，由陽光提供能量分解水分子，放出氧氣，為下一步暗反應(yīng)供應(yīng)能量；第二步為暗反應(yīng)，利用第一步的能量與CO2反應(yīng)，生成各種碳水化合物。而光合作用中心的兩種不同的光合蛋白復(fù)合色素體系，分別進行光合系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）和光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）兩種光化學(xué)反應(yīng)。其中，PSⅡ在光反應(yīng)過程中激發(fā)高能電子、分解水分子、釋放氧和推動電子傳遞，并啟動第一步光反應(yīng)，在該過程中地位非常重要。

瑞典奧默大學(xué)化學(xué)系教授約翰尼斯·梅辛杰領(lǐng)導(dǎo)的團隊試圖以“人造樹葉”項目模擬植物利用太陽能的方法，開發(fā)人工光合作用。但其必須先清楚，光合作用中哪些分子是分解水必不可少的，以及這些分子如何發(fā)揮作用。為此，團隊設(shè)計了一種工具來研究植物在進行光合作用時的光合系統(tǒng)。

此前研究發(fā)現(xiàn)，放氧復(fù)合物（Mn4O5Ca）是PSⅡ的組成部分，去除鈣離子則導(dǎo)致無法放氧。梅辛杰團隊從PSⅡ中分離出放氧復(fù)合物分子，設(shè)法去除了其中的鈣離子，再用美國斯坦福大學(xué)的X射線自由電子激光設(shè)備發(fā)出的超短X射線脈沖對分子結(jié)構(gòu)進行了分析，記錄下原子50飛秒（1飛秒=10－15秒）的運動過程。

“放氧復(fù)合物中5個氧原子將4個錳離子聯(lián)合在一起，去除了鈣離子后，這種結(jié)構(gòu)沒有變化，說明鈣離子一定在水分解反應(yīng)中起著極為重要的作用。”梅辛杰解釋說，由于實驗所用的X射線脈沖極短暫，所以探測時不會擾亂光合系統(tǒng)。“利用這一新工具，我們最終能夠探求水在被分解時，氧原子怎樣形成了氧絡(luò)橋最后產(chǎn)生氧分子的。以往要從細節(jié)上研究這一階段是不可能的。”