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「看見」工作中的OEC

光合作用(photosynthesis)應該是世界上最偉大的代謝途徑(metabolic pathway)了;當地球最初合成的時候,原始大氣並不含氧。一直到25億年前,開始有了光合作用以後,出現了氧氣,讓地球產生了天翻地覆的變化,總稱為「大氧化事件」(GOE, Great Oxygenation Event)。

什麼樣的變化呢?首先,氧氣的出現使得專性厭養菌(obligate anaerobes)大量死亡、滅絕;這由某個角度來看,應該可以算是地球上的第一個大滅絕事件,可以稱之為「成鐵記」(Siderian)滅絕事件。第二,氧氣的出現使得好氧生物得以出現,由於「燃燒」(氧化)所產生的能量遠大於其他形式,好氧生物出現以後,迅速取得優勢。第三,氧氣出現以後,因為太陽輻射的關係,形成了臭氧層,而臭氧層可以吸收200-310 nm的光,這部分是部分的UVC與UVB,致突變的能力很高,臭氧層隔絕了它們以後,地球上生物的演化速度進入了相對穩定的狀態。

當然,光合生物的出現(當時主要是藍綠菌cyanobacteria)也造成大氣中二氧化碳(CO2)的減少,而氧氣的出現又使得甲烷(CH4)大量減少。這兩種溫室氣體的減少,使得地球在24億年前進入了長達三億年的休倫冰河期(Huronian glaciation)。在那三億年中,地球就像一個大冰球;等到休倫冰河期結束後,世界已經完全不同了。

由這裡,可以了解到光合作用對這個世界的影響有多大。近年來,因為石油、煤、天然氣等不可再生的能源都已經逐漸耗竭,科學家們又想到最便宜(基本上是不要錢)的能源--日光。

要怎麼利用日光呢?基本上來說,除了發展太陽能電池以外,其實也有許多科學家一直在想辦法模仿植物的光合作用;因為植物的光合作用不需要消耗礦產以及其他能源,只需要合成一些蛋白質,就可以在常溫下獲取日光的能量來合成有機分子。直接的產物是三碳糖(glyceraldehyde 3-phosphate),間接的產物是葡萄糖(glucose)與蔗糖(sucrose)。

而植物光反應中的OEC(oxygen evolving complex)更是引起研究者的興趣。到目前為止,OEC還是自然界唯一可以在常溫下分解水的蛋白質複合體(protein complex);如果可以將這個能力應用到發電上面,科學家們可以將光能轉變為氫氣,或是直接將光能轉換為化學能。

但是,要作這些需要對OEC有更多的了解。最近,亞利桑納州立大學(Arizona State University)的研究團隊,運用飛秒X光雷射(femtosecond X-ray laser),第一次看到了OEC的工作情形(1)。

過去對OEC的了解知道,這個蛋白質複合體中含有由四個錳離子(maganese ion, Mn2+)與一個鈣離子(calcium ion, Ca2+)組成的金屬核心(Mn4CaO5 metal cluster)。OEC與光系統II (Photosystem II)相連,每次光系統II接受一次光的刺激,OEC便提供一個電子給光系統II,而OEC自己便累積一價正電。這個正電荷由錳離子儲存,等到有四價正電時,OEC利用這四價正電,分解2個分子的水,產生一個分子的氧氣、四個氫離子(H+)以及四個電子(electron, e-)。

過去曾有研究團隊試圖以結晶的方式了解OEC。但是,觀察OEC的結晶結構並不能了解OEC的工作情形,而且有時光是結晶的過程就可能會對OEC的結構產生破壞,而這樣的結果只會誤導研究者。

這次,亞利桑納州立大學的研究團隊,使用了能源部的飛秒X光雷射來觀察OEC的動態。研究團隊觀察到,當OEC捐出了第二個電子給光系統II以後,它的金屬核心產生了變形的現象--具體來形容的話,就是金屬核心最外圍的錳離子與其他成員之間的距離拉長,使得第二個水分子可以進入OEC。

OEC在工作中會經歷五個狀態:S0, S1, S2, S3 與 S4。
黑框框顯示的是其中兩個時期的狀態。
圖片來源:ScienceDirect
同一時間,另一個在柏克萊的研究團隊(3)也使用了飛秒X光雷射,看到了由S3到S0的OEC變化狀態。

研究團隊們都希望,未來可以利用這個技術,逐步建立起整個OEC的工作動態;經過詳細了解OEC如何工作,可以幫助開發太陽能科技的研究團隊設計出更好的光電池。

參考文獻:

1. 2014/7/9. First snapshots of water splitting in photosynthesis -- ScienceDaily
2. Christopher Kupitz, Shibom Basu et. al., 2014. Serial time-resolved crystallography of photosystem II using a femtosecond X-ray laser. Nature.
3. 2014/7/9. Postcards from the photosynthetic edge: Femtosecond snapshots of photosynthetic water oxidation -- ScienceDaily

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