在美国黄石公园的细菌垫、以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中，存在着一种蓝藻细菌。最近，来自英国帝国理工生命科学系的研究人员发现，这些细菌的特别之处在于，它们在光合作用过程中可使用“近红外光”，而不是我们使用发生在大多数生物中的“可见红光”。这一发现改变了我们对光合作用的基本机制的理解，这不仅为农作物的工程改造提供了新的思路，也让我们意识到，或许应该调整寻找外星生命的方向。实验结果被刊登于6月15日的《科学》杂志上。
○ 澳大利亚赫伦岛的海滩岩的横截面，显示了含有叶绿素-f的蓝藻细菌（绿）生长在岩石表面几毫米以下的深处。| 图片来源：Imperial College London
光合系统能将太阳能转换成为化学能，从而为生命提供动力。在几乎所有的有氧光合作用中，都需要依赖叶绿素-a来收集可见光、再将可见光转化为化学物质和氧气。叶绿素-a可以吸收大部分红色的光线，同时反射绿色、蓝色和紫色的光线。
由于在已知的所有植物、藻类、蓝藻细菌中都存在叶绿素-a，因此我们一直认为红光的能量为光合作用设定了“红光极限”（~700nm），它代表着光合作用所需的最低能量。在天体生物学中，红光极限常被用以判断复杂的生命是否可能在其它行星上演化的参考之一。
然而，当一些蓝藻细菌在近红外光环境下生长时，含有叶绿素-a的标准系统就会失效，而被含另一种叶绿素——叶绿素-f的系统接管。
在新的研究中，科学家发现，叶绿素-f能吸收波长大于760nm的光，是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。在此之前，我们一直以为它只具有捕获光的作用；因此，在含有叶绿素-f的光合系统中，科学家并不认为“红光极限”得到了延伸。而最新的研究表明，能吸收更长光波的叶绿素-f在光合系统中也能进行光化学反应。
当处于阴暗条件下时，叶绿素-f就会在光合作用过程中起着关键性的作用，它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应——产生超越“红光极限”的光合作用。
科学家认为，这是一项非常重大的发现，这种新形式的光合作用改变了我们对标准光合作用中的核心事物的理解。
○ 不同颜色的细胞群，洋红色部分代表由叶绿素-a驱动的光合作用，黄色部分代表由叶绿素-f驱动的光合作用。| 图片来源：Dennis Nuernberg/Imperial College London
先前，科学家已经知道在一种名为Acaryochloris的蓝藻细菌中，会发生超越红光极限的光合作用。Acaryochloris通过运用叶绿素-d，可以吸收的波长要比叶绿素-a可吸收的高出约40nm。而且对Acaryochloris的光合系统来说，叶绿素-d在光合作用中占据主导地位（〜97％），远高于叶绿素-a的作用。
然而，因为这种现象只在这一种物种中出现，并且还需要非常特定的栖息地，因此它一直被视作为一个例外。Acaryochloris生活在一个绿色的海鞘下，海鞘遮蔽了大部分可见光，只剩下近红外线。
如今，最新报道的这种基于叶绿素-f的光合作用代表了第三种广泛存在的光合作用类型。但是，它仅适用于阴暗且富含红外线的特殊环境中；在正常光照条件下，光合系统仍会使用标准的红光形式进行光合作用。
科学家曾认为，在超越红光极限的范围，光损害会更加严重。因为任何比红光更长的光波都需要更敏感的光合系统，而在明亮环境下，来自各种更短波长的高能量的光很有可能对这种敏感的光合系统造成损害。但在稳定、阴暗的环境中这将不会是个问题。
论文的另一位作者Andrea Fantuzz博士说：“寻找一种超越红光极限的光合作用，会改变我们对光合作用能量需求的理解。这为理解光能的使用、以及保护系统免受光损害的机制提供了新的见解。”
新的见解或许还能帮助科学家通过使用更广范围的光，让农作物能进行更高效的光合作用。通过研究这些蓝藻是如何保护自己免受因光亮变化而造成的损害，则有助于发现如何对农作物进行的改造。
在新的系统中，我们可以看到比以往在标准叶绿素-a系统中更多的细节。常被视为“配件”的叶绿素实际上执行着光合作用中的关键化学步骤。这表明这种模式也适用于其他类型的光合作用，这将改变长期以来对主要的光合作用形式是如何工作的观点。
该研究的第一作者和发起人Dennis Nürnberg博士表示，令他感到惊喜的是，由于他对蓝藻的兴趣而展开的一系列研究，转化成了对光合作用的理解发生的重大变化。
这次的发现推动了我们对生命理解的边界，让我们从不同的角度揭示这样一个基本过程。而除了学术意义，这一研究或许还具有重大的应用价值，因为光合作用对全球的农作物生物学有着至关重要的作用。
编译：小绵泡
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发表于 2018-6-16 02:50
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