這一發(fā)現(xiàn)改變了我們對光合作用基本機制的理解，應(yīng)該重寫教科書。它還將為我們尋找外星生命的方式量身定制，并提供有關(guān)如何利用更長波長的光來設(shè)計更有效的作物的見解。

這項發(fā)現(xiàn)于今天發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，由倫敦帝國理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，得到了BBSRC的支持，并參與了堪培拉的澳大利亞國立大學(xué)，巴黎的CNRS和Saclay以及米蘭的CNR。

地球上絕大多數(shù)生命在光合作用過程中使用可見紅光，但新型使用近紅外光。當(dāng)它們在近紅外光下生長時，在多種藍(lán)藻(藍(lán)綠藻)中被發(fā)現(xiàn)，在黃石中的細(xì)菌墊和澳大利亞的海灘巖石等陰影條件下發(fā)現(xiàn)。

正如科學(xué)家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的那樣，它也發(fā)生在倫敦帝國理工學(xué)院配有紅外LED的櫥柜里。

光合作用超出紅色限制

標(biāo)準(zhǔn)的，近乎普遍的光合作用類型使用綠色色素，葉綠素a，既收集光，又利用其能量制造有用的生物化學(xué)物質(zhì)和氧氣。葉綠素a吸收光的方式僅意味著來自紅光的能量可用于光合作用。

由于葉綠素-a存在于我們所知的所有植物，藻類和藍(lán)細(xì)菌中，因此認(rèn)為紅光能量為光合作用設(shè)定了“紅色限制”;也就是說，產(chǎn)生氧氣的苛刻化學(xué)物質(zhì)所需的最小能量。紅色限制用于天體生物學(xué)，以判斷復(fù)雜的生命是否可能在其他太陽系的行星上演化。

然而，當(dāng)一些藍(lán)藻在近紅外光下生長時，標(biāo)準(zhǔn)的含葉綠素a系統(tǒng)關(guān)閉，不同系統(tǒng)含有不同種類的葉綠素，葉綠素-f，接管。

到目前為止，人們認(rèn)為葉綠素-f只是收獲了光。新的研究表明，葉綠素-f在陰影條件下的光合作用中起著關(guān)鍵作用，使用低能紅外光進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這是光合作用“超越紅色限制”。

來自帝國生命科學(xué)系的首席研究員Bill Rutherford教授說：“光合作用的新形式使我們重新思考我們認(rèn)為可能的東西。它也改變了我們理解標(biāo)準(zhǔn)光合作用核心關(guān)鍵事件的方式。這是教科書改變了一些東西。“

防止光線傷害

已知另一種藍(lán)藻(Acaryochloris)可以進(jìn)行超過紅色限制的光合作用。然而，因為它發(fā)生在這一個物種中，具有非常特殊的棲息地，它被認(rèn)為是“一次性”。Acaryochloris生活在綠色海鞘下面，遮蔽了大部分可見光，只留下近紅外線。

今天報道的基于葉綠素-f的光合作用代表了廣泛分布的第三種光合作用。但是，它僅用于特殊的紅外線遮蔽條件;在正常光照條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)的紅色光合作用形式。

據(jù)認(rèn)為，光損傷將超出紅色限制，但新的研究表明，在穩(wěn)定的陰影環(huán)境中，它不是一個問題。

共同作者，來自帝國生命科學(xué)系的Andrea Fantuzzi博士說：“找到一種超出紅色限制的光合作用，改變了我們對光合作用能量需求的理解。這提供了對光能利用的見解。保護(hù)系統(tǒng)免受光線損害的機制。“

這些見解對于試圖通過使用更廣泛的光線來設(shè)計作物以進(jìn)行更有效的光合作用的研究人員非常有用。這些藍(lán)藻如何保護(hù)自己免受光線亮度變化造成的損害，這有助于研究人員發(fā)現(xiàn)工程師進(jìn)入農(nóng)作物的可行性。

改變教科書的見解

在新系統(tǒng)中可以看到比以前在標(biāo)準(zhǔn)葉綠素-a系統(tǒng)中看到的更多細(xì)節(jié)。通常被稱為“附屬”葉綠素的葉綠素實際上是執(zhí)行關(guān)鍵的化學(xué)步驟，而不是復(fù)合體中心的教科書“特殊配對”葉綠素。

這表明這種模式適用于其他類型的光合作用，這將改變教科書對光合作用的主要形式如何工作的看法。

該研究的第一作者和發(fā)起人DennisNürnberg博士說：“我沒想到我對藍(lán)藻及其多樣化生活方式的興趣會對我們理解光合作用的方式產(chǎn)生重大變化。令人驚奇的是仍然存在在大自然中等待被發(fā)現(xiàn)。“

BBSRC-UKRI前沿生物科學(xué)負(fù)責(zé)人Peter Burlinson說：“這是光合作用的一個重要發(fā)現(xiàn)，這一過程在為世界提供食物的作物的生物學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。這樣的發(fā)現(xiàn)突破了我們對應(yīng)該祝賀生活和比爾盧瑟福教授以及帝國煙草公司的團(tuán)隊揭示這一基本過程的新視角。“