植物光合作用吸、传、转能的分子机制 及其调控是怎样的

【专家解说】：人类生存依靠光合作用　　“人类所需要的多种生产生活资料都是由光合作用产生的，如果没有光合作用就不会有人类的生存与发展。”采访一开始，中国科学院植物研究所首席科学家匡廷云院士就向笔者强调了光合作用对人类的意义。　　地球最初诞生时是没有氧气的。25亿年前，原始生命蓝菌在地球上出现。它们以水为电子供体，利用日光能将二氧化碳还原为有机碳化合物，并释放出自由氧，在地球生物圈里首次建立了光合生态系统。逐渐地，大气圈中的自由氧开始积累，形成了臭氧层，为真核生物的产生创造了条件。大气圈中自由氧增长的另一个后果是太阳紫外辐射强度大大减弱，生物生存范围扩大，为生物分化提供了条件。仅从这一点就可以证明，没有光合作用就不会有生物进一步繁荣和演化，更不会有人类出现。　　走进“绿色工厂”　　通过研究，人们现在已经知道，光合作用是在被称为“绿色工厂”的植物叶绿体内进行的。整个光合作用至少包含几十个步骤，分为两个阶段，分别是光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段需要利用太阳能，经过光能的吸收、传递与光化学反应，产生生物代谢中的高能物质三磷酸腺苷和还原辅酶Ⅱ。水在这个过程中被分解，氧气作为副产品被释放出来。暗反应阶段在暗处就可以进行，它利用光反应的三磷酸腺苷和还原辅酶Ⅱ两个产物，推动光和碳循环，固定和还原二氧化碳，形成碳水化合物和其他物质。　　与能源环境密切相关　　匡院士说，光合作用研究是一个重大的生物科学问题，同时又与人类现在面临的粮食、能源、资源、环境、材料、信息科学与技术等问题密切相关。　　近年来，由于工业发展，石化燃料的燃烧，空气里面二氧化碳不断增加，产生温室效应。光合作用能否优化空气成分，延缓地球变暖，很值得探索。根据光合作用原理还可以研制高效的太阳能转换器，开辟太阳能利用的新途径。光合作用研究，还可以为仿真模拟，为生物电子器件、生物芯片研制等，提供理论基础或有效途径，对开辟21世纪新兴产业产生广泛而深远的影响。正是这些，使得光合作用研究在国际上成为一大热点难点。　　促使农作物产量增加　　现在世界上每年通过光合作用固定2 200亿吨生物质，相当于世界上所有能耗的地下10倍。要植物产生更多的生物质，就需要提高光合效率。通过高新技术转化，我们甚至可以让有些藻类在光合作用的调节与控制下直接产生氢。　　光合作用与农业的关系同样密切，水稻与小麦的高产品种的光合作用效率可以达到1％至1.5％，而甘蔗或者玉米的效率则可达到5％或者更高。如果人类可以人为地调控光能利用效率，农作物产量就会大幅度增加。　　神速高效的能量转化　　我们知道，光合作用的吸能、传能和转化均是在具有一定分子排列及空间构象、镶嵌在光合膜中的捕光及反应中心色素蛋白复合体和有关的电子载体中进行的。但是让我们不可思议的是，从光能吸收到原初电荷分离在不到万分之一秒的瞬间完成。这么短的时间内却包含着一系列涉及光子、激子、电子、离子等传递和转化的复杂物理和化学过程。　　更让人惊奇的是，这种传递与转化不仅神速，而且高效。在光合膜系统中，在最适宜的条件下，传能的效率可高达94％～98％，在反应中心，只要光子能传到其中，能量转化的量子效率几乎为100％，而且光合作用是在常温常压下使水裂解释放出氧气来，这种高效机制是当今科学技术远远不能企及的。　　光合系统内迷雾重重　　那么，光合系统这个高效传能和转能超快过程到底是如何进行的?其全部的分子机理及其调控原理究竟是怎样的?为什么这么高效?迄今这些我们仍不能洞悉。　　匡院士说：要彻底揭开这一谜团，在很大程度上依赖于多学科的交叉进行研究，依赖于高度纯化和稳定的捕光及反应中心复合物的获得，以及当代各种十分复杂的超快手段和物理及化学技术的应用与理论分析。事实上，当代几乎所有的物理、化学学科中，最先进的设备与技术都可以用到光合作用研究中来。　　探索还要继续　　眼下，“光合作用高效光能转化机理”项目的第二阶段研究又在紧锣密鼓的准备之中。　　问起是否可能有一天，通过模拟光合作用，人们可以从工厂里直接获取食物，而不再一味依靠植物提供，匡院士回答说：“近期是不行的，这是人类的一个长远理想，可能会有这么一天。” http://bk.baidu.com/view/8885.html