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。
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
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。
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| 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 |
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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