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