研究人員已經”入侵”了光合作用的最早期階段，光合作用是為地球上絕大多數生命提供動力的自然機器，並發現了從該過程中提取能量的新方法，這一發現可能催生清潔燃料和可再生能源的新方法。

由劍橋大學領導的一個由物理學家、化學家和生物學家組成的國際團隊能夠在活細胞中以超快的時間尺度研究光合作用–植物、藻類和一些細菌將陽光轉化為能量的過程：百萬分之一秒。

儘管它是地球上最知名和研究最充分的過程之一，研究人員發現光合作用仍然有秘密可言。利用超快光譜技術研究能量的運動，研究人員發現能夠從負責光合作用的分子結構中提取電子的化學物質在初始階段就這樣做了，而不是像以前認為的那樣在很久以後。光合作用的這種”重新佈線”可以改善它處理過剩能量的方式，並創造出新的和更有效的使用其能量的方法。這一結果於3月22日在《自然》雜誌上報告。

儘管光合作用是一個廣為人知且被廣泛研究的過程，劍橋大學的研究人員發現它仍有隱藏的秘密。通過採用超快光譜技術，他們發現從負責光合作用的分子結構中提取電子發生在比以前假設的更早的階段。光合作用的這種”重新佈線”可能會導致更好地管理過剩的能量，並開發出新的、更有效的方法來利用其潛力。

劍橋大學優素福-哈米德化學系的Jenny Zhang博士說：”我們對光合作用的了解並不像我們想像的那樣多，我們在這裡發現的新的電子轉移途徑完全令人驚訝。”他負責協調這項研究。

雖然光合作用是一個自然過程，但科學家們也一直在研究如何利用它來幫助解決氣候危機，例如，通過模仿光合作用過程，從陽光和水產生清潔燃料。

張和她的同事最初試圖了解為什麼一種叫做醌的環形分子能夠從光合作用中”偷”走電子。醌在自然界中很常見，而且它們可以很容易地接受和送出電子。研究人員使用一種叫做超快瞬時吸收光譜的技術來研究醌在光合作用藍細菌中的表現。

一個國際科學家小組以百萬分之一秒的超快時間尺度研究了活細胞中的光合作用。儘管得到了廣泛的研究，光合作用仍然隱藏著未被發現的秘密。通過採用超快光譜技術，研究小組發現，化學物質在比以前認為的更早的階段從參與光合作用的分子結構中提取電子。這種”重新佈線”可以加強該過程對多餘能量的處理，並產生新的、有效的方法來利用其力量。

張說：”沒有人正確地研究過這種分子如何在光合作用的早期階段與光合作用機器相互作用：我們以為我們只是用一種新技術來證實我們已經知道的東西。相反，我們發現了一個全新的途徑，並進一步打開了光合作用的黑盒子。

使用超快光譜觀察電子，研究人員發現，發生光合作用初始化學反應的蛋白質支架是”洩漏的”，允許電子逃逸。這種洩漏性可以幫助植物保護自己免受明亮或快速變化的光線的損害。

“光合作用的物理學令人印象深刻，”共同第一作者、劍橋大學卡文迪什實驗室的托米-貝基說，”通常情況下，我們在高度有序的材料上工作，但觀察電荷在細胞中的傳輸為新發現大自然如何運作提供了非凡的機會。”

“由於來自光合作用的電子分散在整個系統中，這意味著我們可以接觸到它們，”共同第一作者勞拉-韋博士說，她在生物化學係從事這項工作，現在在芬蘭圖爾庫大學工作。我們不知道這一途徑的存在這一事實令人振奮，因為我們能夠利用它為可再生能源提取更多的能量。”

研究人員能夠在光合作用過程的早期操縱光合作用途徑從太陽產生清潔燃料時，可以使該過程更加有效。此外，調節光合作用的能力可能意味著可以使農作物更能夠忍受強烈的陽光。

許多科學家曾試圖從光合作用的早期階段提取電子，但說這是不可能的，因為能量是如此埋沒在蛋白質支架中，張說。”我們可以在更早的過程中偷取它們，這一事實令人震驚。起初，我們認為我們犯了一個錯誤：我們花了一段時間來說服自己我們做到了。”

這一發現的關鍵是使用了超快光譜學，它使研究人員能夠在飛秒級–萬億分之一秒–上跟踪活體光合細胞中的能量流動。

共同作者、生物化學系的克里斯托弗-豪（Christopher Howe）教授說：”使用這些超快方法使我們能夠更多地了解光合作用的早期事件，而地球上的生命正是依賴於此。”