封面新闻记者 边雪
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Jenny Zhang｜悉尼大学生物无机化学博士，曾在耶路撒冷希伯来大学研发开发“氧化还原活性铂类抗癌剂”，并研究了它们在肿瘤模型中的生物分布/代谢，随后成为剑桥大学玛丽居里国际研究员，探索如何利用生物催化剂生产太阳能燃料。JennyZhang致力于开发将氧化还原酶（例如水氧化酶光系统 II）重新连接到称为“半人工光合作用”的新兴领域中的电极/半导体/其他蛋白质的方法，并获得了“RSC Felix Franks“生物技术奖章、2022年联合国教科文组织的科学女性可持续发展奖。
JennyZhang博士的简介。
光合作用，是自然界诸多植物维持生存最重要的过程，也是一个令人类望尘莫及的能力，简单的“一呼一吸”，对人类而言却难以真正摸透其中的奥秘。
几个世纪以来，科学家们从没有停止过研究植物的光合作用。近日，由剑桥大学领导的国际团队，在以超快时间尺度观察光合作用过程时，成功“入侵”了光合作用的最早期阶段，解开了大自然这台伟大机器的新秘密。
该团队发表在《自然》杂志上的“光合作用在皮秒时间尺度上重新连接”一文指出，已经确定有可能在光合作用的最佳可能点提取电荷，他们以飞秒（千万亿分之一秒）级的超快时间尺度，在活细胞中研究了光合作用的过程，跟踪活细胞的能量流动，并发现了从这种过程中提取能量的新方法——光系统II和I（PSII, PSI）是驱动光合作用光反应的反应中心复合物；PSII执行光驱动水氧化和PSI进一步光能量收集电子。
该团队发表在《自然》杂志上的文章《光合作用在皮秒时间尺度上重新连接》。
虽然该研究现在还处于早期阶段，但研究结果为生物技术和半人工光合作用的研究和重新布线开辟了新的途径，“发现这意味着从实验中收集的大量电子，可以用于电网和部分领域的电池；它还可以促进生物燃料的开发，或将彻底改变可持续燃料并应对气候变化。” 4月7日，封面新闻记者专访了该研发团队成员之一剑桥大学玛丽居里国际研究员Jenny Zhang博士，进一步揭秘如何通过研究植物的光合作用，利用生物催化剂生产清洁无害的太阳能燃料。
可“悄悄”移动的电子
人类吃的食物，呼吸的空气都离不开植物——也许我们也可以进一步利用它们的电子。
“光合作用重要过程的关键是从水分子中提取电子。这些提取的电子被穿梭到几个不同的途径，这样电子最终就可以并入新的分子，以满足细胞的不同需求。没有这个过程，就不会有光合作用和二氧化碳固定，也不会有我们已知现存的生态系统。”Jenny Zhang告诉封面新闻记者，在实验过程中她们发现，能够在光合作用过程的早期提取电力，可以借助光合作用这一途径使得太阳产生清洁燃料的过程更有效率。
值得注意的是，在实验中被称为超快瞬态吸收光谱的技术——可以最简单地理解为用激光脉冲点亮样品并记录以极短的间隔发生的情况，使观察电子在整个光合作用过程中移动成为可能的关键。剑桥大学卡文迪什实验室博士Baikie在接受采访时表示，该技术可以让团队实现在不同时间拍照。“这让我们能够非常快地观察样本的变化——比你的 iPhone 快 100 万亿倍。”
研究人员曾将蓝藻、藻类和其他植物与电极连接起来，以创建所谓的生物光电化学电池，利用光合作用过程发电。在早期点（光激发后几皮秒）直接从活蓝藻细胞或孤立的光系统光激发PSI和PSII中提取电子，以及外源电子介质。
光合作用艺术图。图片来源：剑桥大学卡文迪许实验室/托米·百奇
他们假设这些介质在初始光激发后氧化外周叶绿素色素，参与高度离域的电荷转移状态。该研究结果挑战了先前的模型——光激发反应中心与光系统蛋白质支架绝缘，为生物技术和半人工光合作用的研究和重新布线开辟了新的途径。Baikie 表示，他们惊讶地发现，在该过程的开始阶段，有一条以前未知的能量流路径可以更有效地提取电荷。
“其他人也曾试图从光合作用过程的早期阶段收集电子，但得出的结论是这是不可能的。”Jenny Zhang指出，起初，团队以为自己在实验中犯了一个错误。 “但我们花了一段时间才证明自己做到了。”
“我们现在已经能够操纵这种自然的电子流，这样就可以在一个比较的早期步骤中拦截这些电子, 但令我们意想不到的是，被拦截的电子的能量非常高，可以做许多不同类型的工作，包括形成高能分子，如氢能等燃料和高价值化学物质。”Jenny Zhang告诉封面新闻记者，在将阳光转化为能量方面，这一突破本质上有望将光合作用效率应用到令人难以置信的领域和水平，而研究中的新发现表明，这也可能对来自植物或藻类的可再生生物燃料产生重大影响。
“生物燃料可以是碳中和的，因为它们在植物生长时吸收二氧化碳，并在燃烧时将其释放回大气中，而化石燃料则释放储存在地球深处亿万年的碳，从大气中增加或减少多少碳生物燃料取决于植物的生长方式和燃料的生产方式。”
“种植食物一样种植能源”
“这是一种全新的生物燃料生产方法。我们正在从最早期和最强大的光合作用点收集电子，并将它们重新路由到那里，” Jenny Zhang 博士向新闻记者解释道。“事实上，从这项研究中获得的新发现，可以让作物更耐受强烈的阳光，从而促进作物生长。”
在未来，研究团队将持续探索这种非常强大的技术，并研究生命系统中的光反应。“我们也将尝试更多地了解这条新途径，以便可以更好地控制它的绿色能源转换。”Jenny Zhang 向记者描绘了一个未来：“通过像如蓝藻等植物体的光合作用，可以让人类‘像种植食物一样种植能源’。”
当被问及该研究领域将面临怎样的挑战时，Jenny Zhang认为作为一个新兴的研究领域，并结合了化学和材料工具集来促进/控制光合作用，在这一被称为“半人工光合作用”的研究领域中存在着巨大的挑战。“就像在任何一个新领域一样”
除了更有效地生产能源外，微调光合作用还可以让植物更好地吸收和储存二氧化碳，从而帮助应对这一过程中的气候变化。
随着时间的推移，光合作用的研究将变得越来越跨学科，而科研人员现在正开始构建系统对此进行研究。Jenny Zhang认为，科学家们有责任共同合作，以找到更好方案来解决全球气候问题。
“从长远来看，如果我们能够从自生、自循环的生物材料中产生可再生能源和燃料，这将是人们可以想象，并实现人类可持续发展最环保的方式之一。但将意味着，作为研究人员，我们还需要促进更多开放的科学交流与协作，以保持高标准的研究水平。”
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