Blauwalg ‘oogst’ licht heel efficiënt

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具有更高效捕光能力的蓝绿藻

Gepubliceerd op
19 januari 2016

蓝藻(Cyanobacteria),又称蓝绿藻,它们体内有一种巧妙的系统,可以通过大型的“天线色素(antenna)”在暗夜中为即将到来的白天做好准备。这种“天线色素”使得蓝藻可以高效地捕捉阳光,同时还可以保护其体内的光合作用机制。瓦赫宁根大学光合作用研究实验室对于这种“天线色素”的功能研究有了突破性进展。“增强植物的光合作用非常重要,其意义堪比上世纪的绿色革命。”Eric Schranz教授说,“我们需要对蓝藻的自然特性进行深入研究,积累更多更详细的信息,才有可能达到提高植物光合作用能力的目标。因此从这个角度而言,我们的研究成果意义非凡。”

蓝藻是地球上现存的最古老的生物体之一,它们生活在水中,可以吸收二氧化碳并释放氧气,而且进行光合作用的能力可以与陆生植物一较高下;不仅如此,蓝藻的某些特性让其在光线较暗的水中也能正常进行光合作用。它们体内用于捕光的“天线色素”对这一过程非常重要,与两套“光作用体系 ”都密切相关。

“第一套光作用体系主要是分解水分子,这一过程会释放出部分氧气。” 瓦赫宁根大学Herbert van Amerongen教授解释道,“同时还会释放出刺激第二套光作用体系和引发其它反应的电子。两套体系一起促进了光合作用最终产品——糖分的合成。”

自由基

虽然蓝藻在夜间无法吸收二氧化碳,但它们还是会继续进行呼吸作用。随着呼吸作用,蓝藻体内的各个系统都充斥着电子直到饱和状态;当白昼来临,阳光照射到水中,这种状态非常危险。“这种状态可能会产生自由基,进而破坏光合作用机制,” Van Amerongen解释说。为避免出现这种情况,蓝藻在夜间会产生特大型的天线色素,以便在白天吸收光线的同时避免损伤。“一旦过剩的电子被清除——也就是度过危险期——一部分天线色素会分解,继续游离在细胞中。”

这一发现推翻了关于天线色素在光合作用中如何发挥作用的现有理论。就基础研究而言,这一发现可能还会对社会产生影响:一项名为BioSolar Cells的项目中使用蓝藻来生产生物质能源,替代石油、天然气等传统能源。 “所以更好地了解蓝藻的光合作用机理是非常有用的,我们可以因此进一步提高生产效率。” Van Amerongen解释说。

促进全球粮食安全

Van Amerongen的同事Eric Schranz看到了更长远的影响。增强植物的光合作用能力是瓦赫宁根大学及研究中心的重点领域之一,这种基础研究可以催生许许多多的应用,甚至应用到作物种植领域。

“全球粮食安全、气候变化等问题,都需要我们更深入地了解植物的光合作用机理,这对于提高食品产量、改良作物以应对环境变化等,都有很重要的意义。” Eric解释道,“目前我们的种植作物都无法充分转化光能,其中只有不到1%被转化为生物质;而理论上这个比例可以提高到10%左右。哪怕是提高到2%也会为全球食品生产带来巨大的积极影响。为了把理论变为现实,我们需要更全面的研究提高光合作用的每一个可能性,包括蓝藻在弱光条件下的光合作用能力,以及高山植物在极端强光条件下的光合作用。了解它们是如何应对不断改变的光线环境,对我们而言非常重要。”

了解植物的极限能力将会给我们带来无穷的价值,尤其是从环境变化的角度考虑。Schranz说: “瓦赫宁根大学及研究中心最特别的一点就是它所囊括的研究领域非常广阔,从基础研究到应用研究,多学科综合交叉。正因如此我们可以很高效地把基础研究的成果转化为应用创新。”