第十二節
發明光合作用

在本章第八節中我們談到，在生命形成的初期，一些原核生物是靠氧化現成的還原性物質來獲取能量的，例如氫氣、硫化氫、氨都是還原性物質，它們的氧化會釋放出生物所需要的能量，同時用氫原子來合成生物所需要的有機物。地球早期的大氣中含有氫，火山爆發和海底熱泉也會釋放出硫化氫，不過隨著時間推移，地球大氣中的氫就越來越少了。氫雖然是宇宙中含量最豐富的元素，按原子數計算，宇宙中的氫占99%，在太陽系中，81.75%的分子也是氫，地球早期的大氣中，也含有大量的氫，但是星際空間的物質密度是非常低的，每立方厘米大約只有一個微觀粒子，相當于地球上的高真空。由于大氣中的氫氣很少有補充的來源，又由于它是最輕的氣體，容易逃逸到外太空中去，再加上不斷被細菌消耗，氫氣的含量就越來越低。目前，氫氣只占地球大氣體積的千萬分之五，少數能夠產生氫氣的細菌生產的氫數量也有限，所以氫氣不可能作為地球上生物豐富可靠的能源。火山噴發和海底熱泉釋放的硫化氫數量也有限，所以硫化氫也不會是豐富和永久的能源。地球上的生物要大發展，就需要一種無處不在，而且永不枯竭的能源，這就是太陽光。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1369瓦/平方米。從地球赤道周長約為四萬公里來計算，地球獲得的能量可以達到173000TW（太瓦）。地球在一小時內獲得的太陽能，比人類一年內使用的能量還要多，而且可以持續數十億年。

太陽輻射能的99%集中于波長為150 —7000 納米的電磁波中，其中可見光區（390—700 納米）占總輻射能的約50%，紅外光區（波長大于700 納米）占約43%，紫外光區（波長小于390 納米）只占約7%（圖2-28）。光輻射能量的大小與它的頻率成正比，即E = hν，這里E是光子的能量，ν是它的頻率，h為普朗克常數，為1.58 ×10-34 卡·秒。所以光子的能量和它的頻率成正比，而和波長（光速除以頻率）成反比。波長越長，能量越低，因此紫外光的能量高于可見光，可見光的能量又高于紅外線。

從圖2-28可以看見，臭氧（O3）對紫外線吸收很強，所以到達地面的紫外線大大減少；水和二氧化碳在紅外輻射區間也有幾個吸收帶，但是它們對可見光的影響不大。

雖然地球上有豐富的陽光資源，但是要捕獲太陽光中的能量，使它變為生物能夠利用的形式，卻并不容易。一是要有合適的分子來吸收光能，二是吸收的光子所含的能量必須合適。紫外線的能量太高，容易造成化學鍵的斷裂，紅外線的能量太低，只能增加分子的熱運動，都不適合作為生物的能源，能夠作為生物有效能源的，主要是可見光和波長接近可見光的紅外線。

在吸收可用光能上，氨基酸、核苷酸、脂肪酸以及由它們組成的蛋白質、核酸和脂肪都派不上用場，因為這些分子含有的化學鍵大部分是單鍵（例如碳-碳單鍵和碳-氫單鍵），而單鍵吸收光能實現電子躍遷需要的能量比較多。例如甲烷的吸收峰在125 納米，其他飽和烷烴的吸收峰在150 納米左右，都在紫外區。

如果在碳原子之間形成雙鍵，電子躍遷需要的能量就小一些，例如乙烯的吸收峰就在185 納米。碳原子之間在形成雙鍵時，如果雙鏈之間再形成共軛雙鍵（conjugated double bond，即被單鍵隔開的雙鍵），電子躍遷需要的能量就更低，例如丁二烯（2個雙鍵共軛）吸收峰就移到217 納米。由于這樣的共軛系統在生物的有效光吸收上扮演關鍵角色，我們在這里稍微多介紹一下其中的原理。

在第一章第一節中，我們已經介紹了碳原子之間以雙鍵相連時，一個鍵是通過sp²雜化軌道形成的，另一個鍵是未改變的2p軌道彼此重疊形成的（見圖1-1），我們把重疊的p軌道叫做π軌道，把π軌道中的電子叫做π電子。由于碳原子之間是通過雙共價雙鍵相連，它們之間的距離（即雙鍵的長度）為13.4納米，明顯短于碳-碳單鍵的15.4納米。如果有兩個碳-碳雙鍵，彼此被一條單鍵隔開，這兩個雙鍵的π軌道又可以彼此部分重疊，形成一個共同的大π軌道（圖2-29），使得隔開兩個雙鍵的那條單鍵變短，從15.4納米變為14.8納米，成為部分雙鍵，相當于2個雙鍵和它們之間的一個弱一些的雙鍵融合在一起，使電子活動的范圍更大，躍遷需要的能量更低。這種π軌道可以彼此重疊的雙鍵就叫做共軛雙鍵。

除了兩個雙鍵可以形成共軛雙鍵，多個被單鍵隔開的雙鍵也可以形成更大的共軛系統，即更大的π軌道，因為它們的π軌道也可以像丁二烯分子內的兩個π軌道那樣彼此重疊。參與共軛雙鍵體系的雙鍵數量越多，π軌道的范圍越大，電子躍遷需要的能量越少。例如1,3,5-己三烯（3個雙鍵共軛）的吸收峰移到285納米，癸五烯（5個雙鍵共軛）的吸收峰在335 納米。雖然如此，這些化合物的吸收峰仍然在紫外區。要有效地捕獲光能，需要更大的共軛系統，把吸收區域轉移到可見光的范圍內。一些分子由于含有巨大的共軛系統，可以吸收某些頻率的可見光，我們能夠看到沒有被它們吸收的可見光的顏色，所以這些分子稱為色素（pigment）。例如β-胡蘿卜素（β-carotene）分子的共軛系統含有11個碳碳雙鍵，而且都被單鍵隔開，它們就可以組成一個大的共軛系統（見圖2-29下），吸收從紫色到綠色的可見光（400—550 納米），我們看見它的顏色就是橙紅色的。

地球上的生物主要利用兩種色素分子來捕獲光能，即由異戊二烯單位組成的線性大共軛分子（例如視黃醛和胡蘿卜素）和由卟啉環組成的環狀大共軛系統（例如各種葉綠素）。這也沒有什么可奇怪的，因為生物都是盡可能將已經有的分子加以改造，讓它們具有新的功能，而不是一切從頭做起。聚異戊二烯鏈類型的結構在原核生物中早已存在，例如細菌呼吸鏈中的醌就含有聚異戊烯的長“尾巴”（見圖2-33）。細菌的呼吸鏈中許多電子轉運蛋白都含有血紅素輔基，叫做細胞色素（cytochrome），例如細胞色素b、細胞色素c等等。而葉綠素的分子結構和血紅素非常相似，都是由四個吡咯環（由4個碳原子和1個氮原子組成的環）通過次甲基（ CH—）彼此相連組成的大環狀結構（見后文及圖2-31）。葉綠素和血紅素的合成路線也相似，都是以谷氨酸為原料，經過琥珀酰輔酶A和氨基酮戊二酸（aminolevulinic acid）合成“膽色素原”，再由“脫氨酶”把膽色素原連成一個卟啉環。這一過程說明葉綠素和血紅素有共同的分子起源。只要把血紅素的合成路線做一些修改，就可以合成葉綠素。葉綠素有多種形式，被不同的光合生物所使用，但是它們的基本構造是相同的，即基本構造是卟啉環，功能也都是捕獲光能。

細菌用視紫紅質利用光能

根據色素分子受光照射后是否射出電子，生物利用光能有兩種方式：第一種是色素分子不射出電子，而是利用光能直接把氫離子從膜的一邊泵到另一邊去，創造一個跨膜的氫離子梯度。這個氫離子梯度就像水庫里面蓄的高位水，可以在流回膜的另一邊時，帶動ATP合成酶生成ATP（見本章第九節，原核生物“蓄水發電”）。有些原核生物就采用了這種方式，例如有些古菌是“嗜鹽菌”，可以在飽和鹽溶液中生活。其中的鹽桿菌（halobacteria）細胞膜呈紫色，因為膜上含有一種蛋白質，叫細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）。它有7個跨膜區段，在細胞膜內圍成筒狀，在筒的中間含有一個色素分子叫視黃醛（retinal），分子中含有多個異戊二烯單位。視黃醛含有由5個雙鍵組成的大共軛系統，其吸收峰在357 納米的紫外區，所以還不足以在可見光區域有吸收。但是當它上面的醛基與細菌視紫紅質蛋白上216位的賴氨酸殘基上的氨基結合后，吸收峰就被移到可見光中500—650 納米的區域（綠色和黃色），其吸收峰在568 納米，所以看上去為紫紅色。它在受光照射時可以改變形狀，從基本上是一根“直棍”變為“彎棍”。這個形狀變化就把氫離子從蛋白質位于細胞質附近第96位上的天冬酰胺殘基轉移到位于膜另一邊第86位的天冬酰胺殘基上，再釋放到細胞膜的外面。所以細菌的視紫紅質可以直接利用光能來產生跨膜氫離子梯度（圖2-30）。這個質子梯度就是能夠儲存的一種方式，可以用來合成ATP。

視黃醛的分子受光激發時形狀從“直棍”變為“彎棍”，在化學上就叫從“全反式”變為“13-順式”。要知道什么是反式和順式，就需要回憶一下碳碳雙鍵的性質（見圖1-1）。兩個碳原子以雙鍵相連，好像兩個塑料球被兩根牙簽穿在一起，是不能相對轉動的。這兩個碳原子余下的兩根單鍵和雙鍵也在一個平面上。如果這兩個碳原子上各自又連有碳原子，就像在碳鏈中的情形，就有兩種連接方法。一種是外接碳原子在雙鍵的同側，叫做順式連接；另一種是外接碳原子在雙鍵的對側，叫做反式連接（見圖2-30右下）。反式連接對碳鏈形狀影響不大，碳鏈總的來說還是一條直鏈，但是用順式連接時，碳鏈就必須在這里有一個“拐彎”。在沒有光激發時，視黃醛分子內所有與雙鍵的連接方式都是反式的，所以視黃醛分子像一根“直棍”。當受到光激發時，第13位碳原子處的雙鍵就會從反式變為順式，“直棍”也就變為“彎棍”。這個變化是可逆的，隨后順式視黃醛又會自己變回全反式，可以再次被光激發改變形狀。視黃醛的這個性質非常有用，不僅被細菌用來直接建立跨膜質子梯度，還被動物用來獲得光線中的信息。我們在第十二章第一節中，還將介紹視黃醛的視覺功能。

與蛋白質結合的視黃醛雖然可以把光能直接轉化為跨膜質子梯度，繼而合成ATP，給原核生物的有機合成提供能量，所以也可以屬于廣義光合作用的范疇，缺點是不能提供有機合成的氫原子，細菌還得從現成的有機物中獲得氫原子，所以只能算作半個光合作用。如果還有一種機制可以同時將光能用于ATP合成和提供氫原子，生物就可以擺脫對現成有機物的依賴，自己從無機物合成有機物。這個任務是由葉綠素來完成的。

紫細菌用葉綠素利用光能

葉綠素的分子含有一個復雜的環狀結構，叫卟啉環。卟啉環里面所有的雙鍵都是彼此“共軛”的，即彼此都被一個單鍵隔開，因而形成一個巨大的共軛系統。不僅如此，卟啉環的中間還連有一個鎂離子（見圖2-31左下）。這個結構使得葉綠素在紫外和可見光區段都有吸收峰。不過葉綠素最早的功能也許還不是進行光合作用，而是結合在膜蛋白上，起保護DNA不受太陽光中紫外線的傷害作用。在地球大氣中氧氣出現以前，大氣上層還沒有臭氧層來阻擋紫外線。強烈的紫外輻射對于原核生物的DNA是很大的威脅，因為紫外輻射能夠使DNA鏈斷裂，堿基突變。既然所有的生物早就能夠合成血紅素，出現類似葉綠素那樣的分子也不是難事。與膜蛋白結合的葉綠素不但能夠吸收可見光，也能夠吸收紫外線，相當于我們皮膚細胞里面的黑色素保護我們少受紫外線的傷害。

在葉綠素分子結構微調的過程中，一個變化發生了，就是葉綠素受到可見光激發時，可以射出一個電子。如果這個電子可以從細胞膜的一邊轉移到另一邊，而丟失電子的葉綠素分子帶一個正電，就可以發生膜中的電荷分離，類似于跨膜氫離子濃度，因為二者都有膜兩邊電荷不平衡的情形，也是儲存能量的一種方式。如果有一個機制能夠把這個電荷分離變成跨膜氫離子梯度，光能就可以用“水壩蓄水”的方式儲存起來了。這個任務是由原核生物的光反應中心來完成的，是原核生物利用光能的第二種方式。下面我們以能夠進行光合作用的原核生物紫細菌（purple bacteria）為例，看這個過程是如何完成的（圖2-31）。

紫細菌的光反應中心含有一對葉綠素分子，它們結合在蛋白質上，位置靠近細胞膜的外側。受到近紅外光激發時（吸收峰在870 納米），這一對葉綠素分子射出一個電子，經過幾個中間步驟將電子送到細胞膜的內側，同時在葉綠素分子上留下一個正電荷。轉移到細胞膜內側的電子被一種叫做醌（quinone，簡寫為Q）的分子所接收。不同生物所使用的醌類物質在結構上有一些差別，在紫細菌中為泛醌（ubiquinone），在藍細菌和綠色植物中為質體醌（plastoquinone，其結構見圖2-33下），但是它們的功能是相同的。當反應中心受激發兩次時，醌分子就接受兩個電子，再和內側細胞質中的兩個氫離子結合，形成與醌相連的兩個氫原子，讓氧化型的醌Q變成還原型的QH2。這樣就在細胞膜的內側消耗兩個氫離子。QH2是高度脂溶性的分子，而且不帶電，從蛋白復合物上脫離后，可以在細胞膜內的脂質環境中游動。當它到達細胞膜的外側時，會遇到另一個蛋白復合物叫做bc1復合物，bc1復合物能把QH2分子上的兩個氫原子上的電子拿走，把這樣形成的兩個氫離子釋放到細胞膜的外側，再加上內側形成QH2時消耗的兩個氫離子，就相當于把兩個氫離子從細胞膜的內側轉移到外側了。

QH2是具有還原能力的分子，里面的能量還可以利用來產生跨膜氫離子梯度。這就是bc1復合物的功能，和本章第九節圖2-22里面的bc1復合物非常相似。這個復合物由多個蛋白亞基組成，其中能夠傳遞電子的蛋白質亞基都含有輔基，例如含血紅素的細胞色素b和細胞色素c1。另一個電子轉移蛋白含有由鐵原子和硫原子組成的電子傳遞輔基，叫做鐵硫蛋白（Fe-S）。電子經過這些電子轉移中心時，釋放出來的能量被用來把氫離子從細胞膜的內側泵到外側，進一步增加細胞膜外側氫離子的數量。釋放了能量的電子被傳遞到復合物外一個能夠在膜的外表面自由移動的蛋白質叫細胞色素c2，細胞色素c2再把電子傳回光反應中心失去了電子的葉綠素分子上，完成一輪電子循環。得到了電子的葉綠素恢復中性，又可以被光激發，開始另一輪電子循環。

這個系統雖然可以工作，但是效率不高。因為葉綠素分子太小，卟啉環的面積只有1平方納米左右，這么小的面積接收不到許多光子。為了增加吸收光的面積，原核生物還發展出了捕光復合物。捕光復合物也由葉綠素結合蛋白（chlorophyll binding protein）組成，上面結合了12個葉綠素分子和兩個類胡蘿卜素分子。它們形成特殊的空間排列，以便使任何受到光子激發的分子都可以把能量傳給光反應中心，在那里激發出電子。這相當于收集太陽光的“天線”，能夠大幅度地提高光反應中心的工作速度。這種能量傳遞的效率非常高，在不到1納秒的時間內就能把收集到的能量傳輸給反應中心，傳輸效率為95%，即基本上沒有能量損失。有了捕光復合物，光反應中心的工作效率就可以大大提高了。所以原核生物最簡單的光合反應系統是由捕光復合物、光反應中心、bc1復合物組成的，工作方式是由光激發的電子循環。

這種光合反應系統是比較原始的，只含有一種光反應中心。它能夠將光能轉換成為跨膜氫離子梯度，效果和使用視紫紅質的嗜鹽菌相同，不能提供有機合成所需要的氫原子，也不釋放出氧氣，為一些細菌如紫細菌所使用。但是它創造的光反應中心和捕光復合物，卻是偉大的發明，奠定了藍細菌和植物中更復雜的，能夠同時提供能量和氫原子的光合反應系統的基礎。

藍細菌的雙光反應系統

紫細菌的光反應中心雖然可以產生QH2，但是其中的氫原子并不被用于有機合成，而是像在呼吸鏈中一樣，被用來產生跨膜氫離子梯度，有機合成所需要的氫原子仍然需要從現成的有機物來，例如葡萄糖、乙酸、琥珀酸，所以這樣的細菌還擺脫不了消費者的角色。而如果世界上的生產者不多，消費者也不會繁榮，所以地球上還需要能夠不消耗現成的有機物，而是能夠自己用無機物合成有機物的生物。

為有機合成直接提供氫原子的主要是兩種彼此類似的分子，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP⁺），后者比前者在核糖上多一個磷酸根。讀者不必記住它們冗長復雜的名稱，只需記住它們常用的名字，NAD⁺和NADP⁺就行了。它們都不是什么全新的分子，而是在ADP分子上再加上與核糖相連的煙酰胺，所以也是與核苷酸有關的分子。它們煙酰胺的部分可以反復地接受兩個電子和一個氫離子，形成它們的還原形式——NADH和NADPH，它們就能夠為有機合成提供氫原子（圖2-32）。NADH和NADPH之間還可以互相轉化，即NADH上的氫原子可以轉移到NADP+上，使其變為NADPH；NADPH也可以使NAD+變成NADH。所以一旦有一種形式出現，只要細胞里有催化它們之間相互轉化的酶，就可以生成另一種形式。在“消費者”生物中，它們是接受有機分子的代謝中產生的氫原子而形成的（例如參看圖2-23三羧酸循環）。如果不依靠現成的有機物，能夠從光反應系統直接生成NADH或者NADPH，生物就可以只依靠光能和無機的碳源（例如二氧化碳）和氮源（例如氮氣和氨）等來合成有機物。這就是真正的有機物的生產者。

這樣的光反應系統還真的出現了。這就是對原有的光反應中心加以改造，讓葉綠素受激發時射出的電子不是以醌分子為受體，而是經過鐵氧還蛋白還原NADP⁺，形成NADPH。這個發明看來是在藍細菌中完成的，因為藍細菌就含有兩種光反應中心，一種以醌為電子受體，一種以鐵氧還蛋白為電子受體（圖2-33）。

隨著第二個光反應系統的出現，藍細菌的細胞還發生了另一個變化，就是原來含有光反應系統的細胞膜向細胞內伸出，與其余的細胞膜分離，成為細胞內的膜。這些膜將一部分細胞質包裹起來，與其余的細胞質分開，叫做“類囊體膜”（thylakoid membrain）。由于光反應系統不再位于細胞膜上，光反應泵出的氫離子也不再被泵到細胞外，而是到類囊體膜圍成的腔內。氫離子從類囊體腔流回細胞質時，帶動ATP合成酶合成ATP。雖然紫細菌把氫離子從細胞內泵到細胞外，藍細菌把氫離子從細胞質泵到類囊體腔，但都是把氫離子泵離細胞質。這個變化也為后來進行光合作用的真核細胞繼承，成為葉綠體中的類囊體（參看圖3-23）。

由于以鐵氧還蛋白為電子受體的光反應中心被發現在先，被稱為光系統Ⅰ（photosystem Ⅰ，簡稱PSⅠ）。以醌為電子受體的光反應中心本來是首先出現的，在結構和功能上都類似于紫細菌的單光反應中心，但是因為被發現在PSⅠ之后，被稱為光反應中心Ⅱ（PSⅡ）。不僅如此，PSⅠ中的葉綠素被光激發射出電子后，產生的正電荷是被來自PSⅡ的電子中和的，其間經過bf復合物（相當于紫細菌的bc1復合物）和一個叫做質體藍素（plastocyanin，簡稱pc）的蛋白質，這樣這兩個光反應中心就被串聯在一起，協調工作，而不是彼此單獨活動。藍細菌的雙光反應中心系統既能形成跨膜氫離子梯度來合成ATP，又能提供用無機物合成有機物所需要的氫原子，使得真正的利用光能的有機物生產者出現，對地球上生物的發展與擴張具有關鍵性的意義。

不過把兩個光反應中心串聯起來也會產生一個問題，就是PSⅡ射出的電子會通過質體藍素PC傳給PSⅠ，不能通過環狀電子流動流回PSⅡ中失去電子的葉綠素分子上，這些正電荷就不能完全被中和。在這里藍細菌又完成了另一個偉大的發明，就是讓PSⅡ中失去電子的葉綠素分子從水分子中的氫原子那里得到電子，把氫原子變成氫離子，釋放到細胞膜外。失去了氫原子的氧原子彼此結合，以氧氣的形式放出。這就是釋氧光合作用（oxygenic photosynthesis）。釋氧光合作用的出現是生物演化史上的重大事件，從此地球的大氣中就有了源源不斷的氧氣供給。這就為本章第九節中說的“氧化磷酸化”提供了條件和保證。由于氧化磷酸化比底物水平磷酸化能夠生成多得多的ATP，這就使得生物的進一步演化成為可能。而這個功績也是由原核生物，特別是藍細菌完成的。真核的藻類生物和植物的光合作用系統，就是從藍細菌那里繼承下來的，并且將其發揚光大，造成了地球上生物的大繁榮。