老葉的植物王國

說植物有眼睛，可能有點難以想像。但是，因為植物是「光合自營生物」，所有它需要的物質，全部都要靠自己來合成；而所有物質的合成，都是從光合作用開始。 怎麼說呢？如果我們把任何一種生物當作一個大餐廳，動物大餐廳就是到市場去買菜、買肉、買米買麵，到餐廳的廚房裡面洗洗切切，端出一道道的好菜；而植物大餐廳卻不能去市場買菜、肉、米、麵，而是廚房後面還有一座很大很大的農場，種菜、種稻、種麥、養牛羊雞豬...這座很大很大的農場，就像植物的光合作用。 但是，光合作用沒有光就不能啟動。這裡的光，就像農場裡的水一樣；沒有水，不能灌溉、不能提供牛羊雞豬要喝的水...所以，如果沒有水，農場裡的農夫就不敢播種，也不敢買進小牛、小羊、小雞、小豬了。對一個農場來說，要確定有水，才能開始準備播種與購買動物；而對植物來說，如果沒有光，不只是光合作用不能啟動，甚至連進行光合作用所需要的設備--葉綠體--都不可以產生。 那麼，誰來確定有光呢？答案就是：光敏素啦！ 而且，光敏素不只是負責確認植物周圍的光線夠不夠，還要確認光線對不對。怎麼說呢？ 原來，植物並不需要「所有的光」來進行光合作用。如果我們看一下葉綠素a與葉綠素b的吸收光譜（如下圖），就會了解到，植物主要吸收的範圍，在藍光（400-500奈米）與紅光（630-680奈米）的區域。 圖片來源： wiki 因為葉綠素a與b只吸收藍光與紅光，而它們都不吸收綠光，所以葉片是綠色的；也因為他們只吸收藍光與紅光，所以，如果照射在植物身上的光缺少這兩個部分，對植物來說就是沒有用的光，就像農場需要水灌溉，但卻有人提供了海水一樣... 所以，既然光敏素要負責幫植物看光，當然不能只看有沒有光，還要負責看到光線對不對；這樣才不會看到光就以為可以開工，結果是不能用的綠光，不但空歡喜一場，還白白浪費了能量來合成葉綠體！ 因此，做為植物的眼睛，光敏素負責的是看到紅光；當然，讀者們可能會想，那藍光呢？不用擔心，植物裡面除了光敏素以外，還有負責看藍光的「眼睛」--隱花色素。 光線是植物生活裡面最重要的元素，植物當然不會讓自己漏看囉！雖然光敏素只能看到紅光，但植物還有隱花色素、還有向光素，這些對植物都很重要；而且，植物裡面的這些「眼睛」都不會只有一種，以植物研究中最受歡迎的阿拉伯芥來舉例，它有五個光敏素、兩個隱花色素，以及四個向光素喔！ ...

葉綠素 a （chlorophyll a ）是地球上分佈最廣的光合色素，從原生的藻類到高等植物裡面都有它。 光系統（photosystem）中間的反應中心（reaction center）那兩個也是它。 每次看到它的3D圖形就覺得，它根本就是權杖嘛！所以得植物者得天下！

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...