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光反應有個「人龍大隊」(bucket-brigade)

光合作用如何能將光能有效地轉換為化學能,一直都是科學家們最感興趣的部分;目前知道,在光系統中的光能傳遞,失去的能量不超過10%,甚至有些科學家估計低於5%。當光能傳遞到光系統反應中心(reaction center)內的兩個葉綠素a時,這兩個葉綠素a會進行「電荷分離」(charge separation),將一個電子傳遞到下一個電子接受者(electron acceptor)。由這個點開始,光能轉換為電能,接著經過光反應的電子傳遞鏈(photophosphorylation)轉換為化學能(能量ATP與電子NADPH)。但是,這中間的機制尚未完全釐清。

最近,美國密西根大學(University of Michigan)生物物理研究團隊,使用了短脈衝光來窺視光合作用的機制,並闡明了分子振動(molecule vibrations)在地球的能量轉換過程上所扮演的角色。

這個發現可以幫助工程師們做出更高效的太陽能電池以及能源貯存系統。他們還為一個量子生物學(quantum biology)爭論注入了新的證據:究竟光合作用是如何達成這麼高的效率。

植物和一些細菌經由光合作用將陽光、水和二氧化碳轉化為自己(和其他生物)的食物,以及提供生物呼吸的氧氣。光合作用也許是地球上最重要的生化過程,但是科學家到現在還是沒有完全理解它的機制。

密西根大學團隊的研究結果發現,光合作用開始時的電荷分離,需要特定的分子振動來幫助進行。

無論是自然和人工光合作用系統,都需要利用吸收的光能,並將其轉換為電荷分離。在自然光合作用時,電荷分離最後會產生生化能量(筆者按:產生ATP與NADPH,最終用於產生醣類。)。在人工系統中,我們希望可以將電荷分離的能量拿來發電,或轉換為如生物燃料(biofuels)等其它一些可用的能源。

眨眼只需要大約三分之一秒,但是電荷分離只需要10皮秒(picosecond,兆分之一秒)。研究團隊開發出超短激光脈衝,可以匹配上光合作用電荷分離反應的速度。利用超短激光脈衝以及仔細定時序列,研究團隊能夠起動光合作用,然後拍攝即時快照。

研究團隊由菠菜中分離了光系統II的反應中心(photosystem II reaction centers)。光系統II位於植物細胞的葉綠體中,由一群蛋白質與色素組成;它也是目前唯一已知的自然酶,可以使用太陽能將水分解成氫氣和氧氣。

非常多人對光系統II的反應中心感興趣,因為它的電荷分離過程效率很高。 在人工系統中,雖然有很多可以吸光的分子提供選擇,也可以創造電荷分離系統,但是卻很難讓電荷分離維持一個夠長的時間來作功。但是,在光系統II的反應中心,這個問題已經被植物漂亮的解決了。

研究團隊記錄的光譜信號含有長效相呼應(long-lasting echoes),那透露了,在電荷分離時發生了特定的振動。

研究團隊所發現的是,當能階的差距與振動頻率接近時,電荷分離就會提高,就如人龍大隊(bucket-brigade)一樣,能夠輸送多少水,取決於每個人在正確的時間點作正確的動作。

光反應的電子傳遞,從一開始的電荷分離,就有如人龍大隊;
所有的成員都要在相近的頻率下進行動作,來達成高效率。
圖片來源:維基百科

這個研究成果,可以回饋給設計光電池的團隊,做為未來設計的參考。


參考文獻:

2014/7/13. Deep within spinach leaves, vibrations enhance efficiency of photosynthesis -- ScienceDaily

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植物是地球的能量工廠

地球上最重要的反應應該就是光合作用(photosynthesis)了,就如植物的頂芽生長點是地球上最重要的組織一般。這是由於地球上的異營生物無不依靠自營生物作為直接或間接的食物來源,而自營生物的養分幾乎都是由光合作用而來。
葉片是獲取能量的小尖兵
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當時序慢慢進入秋天時,植物體內可藉由光敏素(phytochrome)感應逐漸加長的黑夜。光敏素是由兩個多肽組成的雙體(dimer),每個多肽有一千多個氨基酸那麼長,並加上一個色素分子(phytochromobillin)。光敏素將季節的信息送到頂芽,頂芽便開始進入休眠;其它的葉片啟動衰老機制、將可以回收的養分盡量回收之後,隨著連接葉柄與莖的薄壁細胞死亡,毫無生氣的葉片因自己重量的垂墜,被拉離開植株,飄落到地面。
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在葉綠體的類囊體膜(stromal membrane)上,可以…

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事實上,因為這些特殊的構造,虹彩體比一般的葉綠體進行光合作用的效率更高。研究團隊藉著測量葉綠體的螢光(葉綠體進行光合作用時,一部份的葉綠素會把吸收的光以暗紅色的螢光發射出去;所以可以藉著測量螢光了解植物進行光合作用的效率)發現,虹彩體進行光合作用的效率,比一般的葉綠體都好。不過,當光線變強的時候,虹彩體的效率就沒有那麼好了;這或許就是為何,當我們把孔雀秋海棠種在光線…

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在台灣提到鳳梨,一定會想到鳳梨酥這代表台灣的伴手禮。但是鳳梨其實不是台灣原產的水果喔!鳳梨原產於熱帶南美洲,在哥倫布1493年的第二次航行時於瓜德羅普的村莊中發現後引進歐洲,約於16世紀中葉傳入中國;台灣則是在1605年先由葡萄牙人引進澳門,再由閩粵傳入台灣,至今已有三百多年歷史。

在台灣,鳳梨因為台語諧音「旺來」很吉利而廣受大眾喜愛,但其實鳳梨的名字是根據它果實的型態來的,因為果實的前端有一叢綠色的葉片,讓以前的人覺得很像鳳尾,加上果肉的顏色像梨,所以就取名為「鳳梨」。至於英文的名稱也是因為果實的外型像毬果、而肉質香甜,所以就被取名為「松蘋果」(pineapple)啦!其實鳳梨果實的毬果狀的外觀主要是因為鳳梨是「聚合果」,每顆鳳梨是由200朵鳳梨花集合而成的!而它的學名Ananas則是來自於圖皮語,意思是很棒的水果。

在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

鳳梨不只是改變了歐洲,在日本人到台灣後,嚐到了鳳梨的香甜滋味,便開始推動鳳梨產業。1903年,岡村庄太郎於鳳山設置岡村鳳梨工廠,生產鳳梨罐頭;後來逐漸形成中部以員林、南部以鳳山為中心的鳳梨生產體系。在1938年時,鳳梨罐頭工廠女工竟然佔了全台灣女性勞動人數三分之一以上呢!光復以後台灣的鳳梨產業也曾在1971年登上世界第一,讓台灣被稱為「鳳梨王國」。但是後來不敵其他國家的競爭,已經由外銷罐頭改為多以內銷鮮食鳳梨為主的型態了。

從清朝、日治時代直到現在,台灣的鳳梨品系一直都一樣嗎?當然不是囉!最早的鳳梨被稱為「在來種」,後來日治時代為了製作罐頭方便,從夏威夷引進了開英種;到了1980年以後,因為罐頭外銷敵不過競爭,台灣的鳳梨改為內銷且以鮮食為主,為了挽救鳳梨產業,農改場、農試所便培育出各種不同適合鮮食的鳳梨:包括不用削皮可以直接剝來吃的釋迦鳳梨(台農4號),最適合在秋冬生產的冬蜜鳳梨(台農13號),有特殊香氣的香水鳳梨(台農11號),以及因為果肉乳白色被稱為牛奶鳳梨的台農20號等…