光合作用原初光能转化过程的原理与调控

“光合作用是地球上很重要的化学反应”，是绿色植物(包括藻类)大规模地利用太阳能把廉价的二氧化碳(C02)和水(H2O)合成为富能的有机化合物，并释放出氧气(02)的过程。因此，光合作用不仅是食物链的初级生产者，而且也是很初产生和如今维持大气中O2的制造者。从这个意义上说明：没有光合作用便没有生物丰富多彩的演化和繁荣，也不可能有人类社会的生存和持续发展。
    光合作用不仅是生命科学的重大基础理论问题，而且与当今人类所面临的粮食、能源、资源和环境等问题密切相关。因此，自1772年美国化学家Priestley发现光合作用以来，它就是世人瞩目、孜孜探索的生命奥秘之一，至今方兴未艾。目前，许多发达国家的政府和部门已将光合作用的研究列入其科学发展战略规划的前沿课题。我国光合作用的研究亦可追溯到1929年李继桐先生在英国杂志上发表的“光变化对光合作用速度的直接影响”一文 (Ann．Bot．1929，43：587～601)。而全国专门研究植物光合作用的机构则是在20世纪50年代和60年代分别由殷宏章先生和汤佩松先生创建的，前者设在中国科学院植物生理研究所(上海)，后者设在中国科学院植物研究所(北京)。70年代以后，两个单位的光合作用研究在中科院、国家自然科学基金委和国家科技部的大力支持下获得了飞速的发展，并取得了许多重要的成果。除这两个单位之外，北京大学，四川大学，北京农业大学，北京林业大学，中国科学院海洋研究所、水生生物研究所、华南植物研究所、化学研究所和长春物理研究所，华南农业大学，兰州大学和浙江大学等单位也都相继建立了自己的光合作用研究小组，分别对光合细菌、水生(包括淡水和海水)蓝、绿藻和高等植物的光合作用原初光能转化过程、碳素同化作用、光呼吸作用、光合―固氮偶联放氢和环境因子对光合作用的影响与调控等开展了比较广泛的研究，也都取得了许多重要成果，对我国的农业生产起到了一定的推动作用。特别是进入90年代以来，由于近代物理、化学理论和优选的研究技术的引进，生化分离技术的改进和分子生物学操作的进步与应用，使光合作用转能机理及其结构基础的研究取得了长足的进步。1985年细菌光合反应中心三维空间结构原子分辨率的成功解析，标志着光合作用结构与功能关系研究已进人生物大分子和分子阶段。为此，不少同行曾极力建议和劝导我们抽时间编撰一本能比较全面反映当前光合作用机理研究进展的书籍，作为大学本科教学的补充材料和研究生基础课程的参考资料。然而，由于光合作用原初光能传递和转化是一个涉及光子、激子、电子和质子及色素与蛋白质相互作用的复杂的光物理、光化学和生物化学等过程，这大大超出了任何一门单学科研究者的知识能力，需要多学科研究者的通力合作，因而迟迟未敢动笔，有负同仁和朋友们的好意。
    庆幸的是1998年国家科技部将光合作用的研究定为靠前批实施国家重点基础研究发展规划项目，即《973项目》，我有幸作为《光合作用高效转能机理及其在农业中的应用》项目 (G19980lOlOO)的首席科学家，组织了靠前17个单位，近200名包括物理、化学、生命科学和农业科学研究工作者，对光合作用原初光能转化的原理与调控及提高作物光能转化效率等问题，进行了多学科交叉的探讨，历经5年时间，取得了创新性的成果。趁课题总结之机，组织项目各课题组的人员，就自己的工作结果，并结合当前靠前上相关研究的进展，撰写成本书及另一本专著――《作物光能利用效率与调控》。本书共分为3篇，20章：靠前篇为“光合作用原初过程激发能传递和电子转移的微观动力学研究”，包括1～4章，主要介绍目前靠前外有关光合作用能量的吸收、激发能在分子间的传递、电荷分离及电子在反应中心内转移的超快动力学研究及量化理论研究的结果和一些尚难于解决的问题；第二篇为“光合膜蛋白超分子复合体结构与功能的研究”，包括5―18章，较详细地介绍了两个光系统(PSⅡ和 PSl)、PSⅡ外周和内周捕光蛋白复合物、PSⅡ反应中心复合体、Cytb6{复合物、ATP合酶复合物、放氧复合物和NAD(P)H脱氢酶复合物的结构与功能，以及光合磷酸化和氧释放机制等研究的重要进展；第三篇为“光合作用原初光能转化过程的人工模拟”，包括两章，主要介绍了目前靠前外有关光合放氧复合体Mn簇合物的人工合成研究及采用纳米半导体(氧化钛和氧化钌等)模拟光合作用反应中心光―电转换原理制作高效光电池；模拟PSⅡ颗粒光合放氧制氢反应过程，以获取绿色燃料――氢气的一些研究动向和初步结果。本书不仅适合光合作用研究工作者阅读和参考，也可作为大学生物系本科学生及研究生的教学补充材料和资料。