早在一個(gè)多世紀(jì)以前，科學(xué)家就已經(jīng)知道了光合作用，但真正開始研究光合作用還是在量子力學(xué)建立之后，人們也越來越為它復(fù)雜的機(jī)制深深嘆服。

作為地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，光合作用對大多數(shù)人來說，好像并沒有什么太大的秘密，它的過程無非就是吸收二氧化碳，放出氧氣。然而，盡管光合作用的發(fā)現(xiàn)距今已有200多年的歷史，并且已有多位科學(xué)家在光合作用前沿研究上頻頻摘取諾貝爾獎(jiǎng)，但其內(nèi)在復(fù)雜機(jī)理仍被重重謎團(tuán)籠罩。

科學(xué)家坦言，要真正揭開“綠色工廠”的全部謎底，仍“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”。

科學(xué)家們?yōu)槭裁匆獙夂献饔眠M(jìn)行研究呢?這是因?yàn)槿祟愃枰母鞣N生產(chǎn)生活資料都是由光合作用產(chǎn)生的，如果沒有光合作用就不會(huì)有人類的生存與發(fā)展。

所以，對光合作用的研究是一個(gè)重大的生物科學(xué)問題，同時(shí)又與人類現(xiàn)在面臨的環(huán)境、糧食、信息、材料問題等密切相關(guān)。

現(xiàn)在世界上每年通過光合作用產(chǎn)生2200億噸生物質(zhì)，相當(dāng)于世界上所有能耗的10倍。要植物產(chǎn)生更多的生物質(zhì)，就需要提高光合作用效率。通過高新技術(shù)轉(zhuǎn)化，我們甚至可以讓有些藻類在光合作用的調(diào)節(jié)與控制下直接產(chǎn)生氫。根據(jù)光合作用原理，還可以研制高效的太陽能轉(zhuǎn)換器。

光合作用與農(nóng)業(yè)的關(guān)系同樣密切，農(nóng)作物干重的90%～95%來自光合作用。高產(chǎn)水稻與小麥的光合作用效率只有1%～1.5%，而甘蔗或者玉米的效率則可達(dá)到50%或者更高。如果人類可以人為地調(diào)控光能利用效率，農(nóng)作物產(chǎn)量就會(huì)大幅度增加。

近年來，空氣里面二氧化碳不斷增加，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。光合作用能否優(yōu)化空氣成分，延緩地球變暖，也很值得探索。光合作用研究，還可以為生物電子器件、仿真模擬、研制生物芯片等提供理論基礎(chǔ)或有效途徑，對開辟21世紀(jì)新興產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。正因如此，使得光合作用研究在國際上成為一大熱點(diǎn)難點(diǎn)。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)知道，光合作用的吸能、傳能和轉(zhuǎn)化均是在具有一定分子排列及空間構(gòu)象、鑲嵌在光合膜中的捕光及反應(yīng)中心色素蛋白復(fù)合體和有關(guān)的電子載體中進(jìn)行的。但是讓科學(xué)家們覺得不可思議的是，從光能吸收到原初電荷分離涉及的時(shí)間尺度僅僅為10-15～10-17秒。這么短的時(shí)間內(nèi)卻包含著一系列涉及光子、電子、激子、離子等傳遞和轉(zhuǎn)化的復(fù)雜物理和化學(xué)過程。

更讓人驚奇的是，這種傳遞與轉(zhuǎn)化不僅神速，而且高效。在光合膜系統(tǒng)中，在最適宜的條件下，傳能的效率可高達(dá)94%～98%，在反應(yīng)中心，只要光子能傳到其中，能量轉(zhuǎn)化的量子效率幾乎為100%。這種高效機(jī)制是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能企及的。

那么，光合系統(tǒng)這個(gè)高效傳能和轉(zhuǎn)能過程究竟是如何進(jìn)行的?其全部的分子機(jī)理及其調(diào)控原理究竟是怎樣的?緣何如此高效?這些都是多年來始終困擾著眾多科學(xué)家的謎團(tuán)。

有科學(xué)家說:要徹底揭開這一謎團(tuán)，在很大程度上依賴于合適的、高度純化和穩(wěn)定的捕光及反應(yīng)中心復(fù)合物的獲得，以及當(dāng)代各種十分復(fù)雜的超快手段和物理及化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與理論分析。事實(shí)上，當(dāng)代所有的物理、化學(xué)最先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)都可以用到光合作用研究中。

葉子截面圖

光合作用的另外一個(gè)謎團(tuán)是:生化反應(yīng)起源是自然界最重大的事件之一，光合作用的過程是一系列非常復(fù)雜的獨(dú)立代謝反應(yīng)，它究竟是如何演化而來的?美國亞利桑那州立大學(xué)的生化學(xué)家羅伯特教授說:“我們知道這個(gè)反應(yīng)演化來自細(xì)菌，大約在25億年前，但光合作用發(fā)展史非常難于追蹤。有多種光合微生物使用相同但又不太一樣的反應(yīng)。雖然有一些線索能把它們聯(lián)系在一起，但還是不清楚它們之間的關(guān)系?！绷_伯特教授等人還試圖透過分析5種細(xì)菌的基因組來解決部分的問題。他們的研究結(jié)果說明，光合作用的演化并非是一條從簡至繁的直線，而是不同的演化路線的合并，把獨(dú)立演化的化學(xué)反應(yīng)混合在一起。也許，他們的工作會(huì)給人類這樣一些提示:人類也可能通過修補(bǔ)改造微生物產(chǎn)生新生化反應(yīng)，甚至設(shè)計(jì)出物質(zhì)的合成反應(yīng)。這樣的工作對天文生物學(xué)家了解生命在外星的可能演化途徑，也大有裨益。

我國著名科學(xué)家匡廷云院士曾深有感觸地說:“要揭示光合作用的機(jī)理，就必須先搞清楚膜蛋白的空間構(gòu)象和分子排列。這方面我們最新取得的原創(chuàng)性成果就是提取了膜蛋白，完成了LHC-Ⅱ三維結(jié)構(gòu)的測定。由于分子膜蛋白是鑲嵌在脂質(zhì)雙分子膜里面的，疏水性很強(qiáng)，故而難分離，難結(jié)晶?！爆F(xiàn)在，中國科學(xué)院植物所經(jīng)過多年努力已經(jīng)提取了這種膜蛋白，在膜蛋白研究上，我國已經(jīng)能夠與世界并駕齊驅(qū)。

那么是否可能會(huì)有那么一天，人們能夠模擬光合作用從工廠里直接獲取食物，而不再一味依靠植物提供呢?科學(xué)家們認(rèn)為，這在近期內(nèi)是不可能的，因?yàn)槿祟悓夂献饔玫膴W秘并不真正了解，還有很多問題需要進(jìn)一步弄清楚，要實(shí)現(xiàn)人類的這一長遠(yuǎn)理想，可能還要付出更為艱辛的努力。