研究人员已经“入侵”了光合作用的最早阶段，光合作用是地球上绝大多数生命的自然机器，并发现了从该过程中提取能量的新方法，这一发现可能导致产生清洁燃料和可再生能源的新方法。

由剑桥大学领导的一个由物理学家、化学家和生物学家组成的国际团队能够以超快的时间尺度研究活细胞中的光合作用——植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程：百万分之一秒。

尽管它是地球上最著名和最充分研究的过程之一，但研究人员发现光合作用仍然有秘密要说。使用超快光谱技术来研究能量的运动，研究人员发现可以从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段这样做，而不是像以前认为的那样在很久以后。光合作用的这种“重新布线”可以改善它处理多余能量的方式，并创造新的、更有效的利用其能量的方式。研究结果发表在《自然》杂志上。

“我们对光合作用的了解并不像我们想象的那么多，我们在这里发现的新电子转移途径完全令人惊讶，”剑桥大学Yusuf Hamied化学系的Jenny Zhang博士说。

虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用光合作用来帮助解决气候危机，例如通过模仿光合作用过程从阳光和水中产生清洁燃料。

Zhang和她的同事们最初试图理解为什么一种叫做醌的环形分子能够从光合作用中“窃取”电子。醌在自然界中很常见，它们可以很容易地接受和释放电子。研究人员使用一种称为超快瞬态吸收光谱的技术来研究醌在光合蓝藻中的行为。

“在光合作用的早期阶段，没有人正确研究过这种分子如何与光合作用机器相互作用：我们认为我们只是在使用一种新技术来确认我们已经知道的东西，”张说。相反，我们找到了一条全新的途径，并进一步打开了光合作用的黑匣子。

利用超快光谱观察电子，研究人员发现发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“泄漏的”，允许电子逃逸。这种渗漏可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的损害。

“光合作用的物理学令人印象深刻，”来自剑桥卡文迪什实验室的共同第一作者Tomi Baikie说，“通常，我们研究高度有序的材料，但观察通过细胞的电荷传输为自然如何运作的新发现开辟了非凡的机会。

“由于光合作用的电子分散在整个系统中，这意味着我们可以访问它们，”共同第一作者Laura Wey博士说，他在生物化学系从事这项工作，现在在芬兰图尔库大学工作。“我们不知道这条途径存在的事实令人兴奋，因为我们可以利用它为可再生能源提取更多的能源。

研究人员说，能够在光合作用过程的早期提取电荷，可以使该过程在操纵光合作用途径从太阳产生清洁燃料时更有效。此外，调节光合作用的能力可能意味着作物可以更好地忍受强烈的阳光。

“许多科学家试图从光合作用的早期点提取电子，但表示这是不可能的，因为能量被埋在蛋白质支架中，”张说。“我们可以在早期过程中窃取它们，这一事实令人兴奋。起初，我们以为我们犯了一个错误：我们花了一段时间才说服自己我们做到了。

这一发现的关键是使用超快光谱学，这使得研究人员能够以飞秒级(万亿分之一秒)跟踪活光合细胞中的能量流动。

“这些超快方法的使用使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，地球上的生命依赖于这些事件，”共同作者，生物化学系的Christopher Howe教授说。

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