光合作用之謎

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"": "作為地球上最重要的化學反應,光合作用對大多數人來說,好像並沒有什麼太大的秘密,它的過程無非就是吸收二氧化碳,放出氧氣。然而,儘管光合作用的發現距今已有200多年的曆史,並且已有多位科學家在光合作用前沿研究上頻頻摘取諾貝爾獎,但其內在複雜機理仍被重重謎團籠罩。科學家坦言,要真正揭開“綠色工廠”的全部謎底,仍有很長的一段路要走。

為什麼科學家們要對光合作用進行研究呢?這是因為人類所需要的各種生產生活資料都是由光合作用產生的,如果沒有光合作用就不會有人類的生存與發展。所以,光合作用研究是一個重大的生物科學問題,同時又與人類現在麵臨的糧食、環境、材料、信息問題等密切相關。現在世界上每年通過光合作用產生2200億噸生物質,相當於世界上所有的能耗的10倍。要植物產生更多的生物質,就需要提高光合作用效率。通過高新技術轉化,我們甚至可以讓有些藻類,在光合作用的調節與控製直接產生氫。根據光合作用原理,還可以研製高效的太陽能轉換器。

光合作用與農業的關係同樣密切,農作物乾重的90%~95%來自光合作用。高產水稻與小麥的光合作用效率隻有1%~1.5%,而甘蔗或者玉米的效率則可達到50%或者更高。如果人類可以人為地調控光能利用效率,農作物產量就會大幅度增加。

近年來,空氣裡麵二氧化碳不斷增加,產生溫室效應。光合作用能否優化空氣成分,延緩地球變暖,也很值得探索。光合作用研究,還可以為仿真模擬生物電子器件、研製生物芯片等,提供理論基礎或有效途徑,對開辟21世紀新興產業產生廣泛而深遠的影響。正是這些,使得光合作用研究在國際上成為一大熱點難點。

早在一個多世紀以前,科學家就已經知道了光合作用,但真正開始研究光合作用還是在量子力學建立之後,人們也越來越為它複雜的機製深深歎服。

現在,科學家們已經知道,光合作用的吸能、傳能和轉化均是在具有一定分子排列及空間構象、鑲嵌在光合膜中的捕光及反應中心色素蛋白複合體和有關的電子載體中進行的。但是讓科學家們不可思議的是,從光能吸收到原初電荷分離涉及的時間尺度僅僅為10-15~10-17秒。這麼短的時間內卻包含著一係列涉及光子、激子、電子、離子等傳遞和轉化的複雜物理和化學過程。

更讓人驚奇的是,這種傳遞與轉化不僅神速,而且高效。在光合膜係統中,在最適宜的條件下,傳能的效率可高達94%~98%,在反應中心,隻要光子能傳到其中,能量轉化的量子效率幾乎為100%。這種高效機製是當今科學技術遠遠不能企及的。

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