這張光合作用能量轉移的動圖，終結了科學家幾十年來的爭論

使用超快速成像技術，科學家首次確定了光合作用中幾個關鍵步驟的進行速度。這一發現將有助於科學家了解大自然是如何完成光合作用的，並且將推動人工「複製」光合作用的進程。

眾所周知，在光照射下，植物通過光合作用將水和二氧化碳轉化成有機物。

該過程的一個重要環節是利用光能將水分解成氧氣和氫氣。這一過程是通過名為「Photosystem II」的酶完成的。光能被植物的「天線」系統俘獲之後，被傳遞到的酶反應中心，並在這裡剝離水分子中的電子。這種將激發能轉化為化學能的過程稱為「電荷分離」，是分解水的第一步。

在此之前，人們普遍認為光合作用的「瓶頸」是「電荷分離」，而不是能量沿著天線傳遞的過程。電荷分離是整個光合作用中最慢、最耗時的環節。

2001年科學家確定了Photosystem II酶的結構。此後，有人提出質疑，認為事實上能量轉移才是光合作用中最慢的。但這一假說一直沒有得到實驗證實。

光合作用基本單元中能量的再分配及傳遞過程。來源：倫敦帝國理工學院 Marius Kaucikas 博士

現在，來自倫敦帝國理工學院和奧地利約翰內斯開普勒大學的科學家們使用超快速成像系統對Photosystem II中的電子激發過程進行追蹤，成功證實了在光合作用中最慢的步驟實際上是植物吸收光並將能量轉移到達酶反應中心的過程。

對光合作用的進一步理解無疑將推動研究人員「複製」光合作用來生產綠色燃料。來自帝國理工生命科學學院的研究員托爾（Jasper van Thor）博士說：「我們現在可以使用 "超快速晶體測量"這一新技術探索大自然將光能轉化為燃料的過程。這一利器將幫助我們回答很多問題，諸如大自然是如何優化能量轉換效率的？我們是否可以模仿，甚至調整人工光合作用的過程，使之超越自然界的光合作用效率？」

奧地利約翰內斯開普勒大學理論生物物理系的合作作者托馬斯·林格（Thomas Renger）博士補充說：「八年前我們提出的能量轉移模型是基於結構計算的，但是再精確的模型也無法全方位描述如此複雜的光合系統。帝國理工托爾研究室的新技術讓我們消除了疑慮，並證實了我們當初的預測完全正確。」

現在，研究人員可以確定究竟哪個步驟更快。事實上，兩個步驟發生的速度都非常快：整個光合過程只需要幾納秒（十億分之一秒），而能量轉移和電荷分離單個步驟的耗時只有幾皮秒（萬億分之一秒）。

在0時間點，特定激髮狀態下光合作用基本單元的旋轉視圖。來源：倫敦帝國理工學院Marius Kaucikas博士

研究人員使用十分複雜的激光系統激發PhotosystemII晶體中的反應，然後精確追蹤測量被激發電子的運動軌跡和天線及酶反應中心中能量的傳遞過程。

正如動圖中顯示的那樣，實驗結果證明了水分解反應中電荷分離的速度是相對較快的，而光收集和轉移過程相對較慢。

托爾博士補充說：「現在，我們終於有了實驗數據支持，證明我們在上世紀90年代本科時期學習的關於光合作用瓶頸的模型是不正確的。」