光合作用在塑造和维持地球上的生命方面起着至关重要的作用，但这个过程的许多方面仍然是个谜。其中一个谜团是光系统II，一种植物，藻类和蓝藻中的蛋白质复合物，如何从阳光中收集能量并用它来分解水，产生我们呼吸的氧气。现在，来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速器实验室的研究人员，以及乌普萨拉大学和洪堡大学以及其他机构的合作者，成功地破解了光系统II的关键秘密。

使用SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)和日本的SPring-8埃紧凑自由电子LAsser(SACLA)，他们首次以原子细节捕捉了在释放可呼吸氧气的最后时刻发生的事情。数据揭示了以前从未观察到的中间反应步骤。

今天发表在《自然》杂志上的研究结果揭示了大自然如何优化光合作用。这一发现将帮助科学家开发模拟光合作用的人工光合作用系统，以收集自然阳光，将二氧化碳转化为氢和碳基燃料。

“我们对大自然如何做到这一点了解得越多，我们就越接近在人造过程中使用相同的原理，包括人工光合作用作为清洁和可持续能源的想法，”共同作者，伯克利实验室的科学家Jan Kern说。

伯克利实验室的共同作者Junko Yano说：“Photosystem II为我们提供了如何优化清洁能源的蓝图，避免了破坏系统的死胡同和危险的副产品。我们曾经认为只是基础科学的东西可以成为改进我们能源技术的有前途的途径。

底座装载

在光合作用过程中，光系统II的氧气演化中心 - 由四个锰原子和一个由氧原子连接的钙原子组成的簇 - 促进一系列具有挑战性的化学反应，这些化学反应的作用是分裂水分子以释放分子氧。

中心循环经历四种稳定的氧化态，称为S。0通过 S3，当暴露在阳光下时。在棒球场上，S0当主场的球员准备去击球时，将是比赛的开始。S1–S3将是第一、第二和第三的玩家。每当击球手与球连接，或者复合体吸收阳光光子时，场上的球员就会前进一个垒。当第四个球被击中时，球员滑入主场，得分，或者在光系统II的情况下，释放一个可呼吸的氧气分子。

在他们的实验中，研究人员通过用光学光激发蓝藻样品，然后用LCLS和SACLA的超快X射线脉冲探测它们来探测这个中心。这些数据揭示了团簇的原子结构及其周围的化学过程。

本垒打

使用这种技术，科学家们首次对回家的疯狂冲刺进行了成像 - 瞬态，或S4，其中两个氧原子键在一起并释放出一个氧分子。数据显示，这种反应中还有其他以前从未见过的步骤。

“其他专家认为，这是永远无法捕获的东西，”共同作者，威斯康星大学麦迪逊分校的科学家兼教授Uwe Bergmann说。“这真的会改变我们对光系统II的看法。虽然我们不能说我们有一个基于数据的独特机制，但我们可以排除人们在过去几十年中提出的一些模型和想法。这是有史以来最接近捕捉最后一步并展示这个过程如何与实际结构数据一起工作的人。