早在中学的生物课堂上，我们就已经学习了光合作用的概念。在塑造和维持地球上的生命方面，光合作用扮演着至关重要的角色。然而，可能很多人不知道的是，这个熟悉的自然过程其实仍隐藏许多奥秘。
从过去的研究中，科学家已经知道，当四个光子连续撞击植物中的一个分子结构时，就会启动光合作用。在植物中，存在一种名为光系统II的蛋白质化合物。当光子连续撞击时，光系统II的放氧中心就会吸收这些光子，然后分解植物中的水分子。然而，数十年来，科学家一直无法知道在第四个光子撞击后，究竟发生了什么。
现在，两篇新发表于《自然》的研究，成功地破解了这个关键的谜题。
在阳光下，放氧中心循环着四个稳定的氧化态（从S0到S3）。我们可以用棒球比赛来类比：S0对应比赛开始时，本垒上的球员准备击球的时刻；S1-S3对应于一垒、二垒、三垒上的球员。放氧中心每吸收一个光子，就会“进阶”到下一个状态，就好比每当击球手接球时，球场上的球员就向前前进一垒。当第四个球被击中时，球员滑到本垒并得分。这就对应于，在光系统II的情况下，释放出了一个氧分子。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员利用SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）和日本的SACLA，首次在原子级的分辨率上捕捉到了导致氧气释放时刻发生的事情。在实验中，他们用可见光激发蓝藻样本，然后用LCLS和SACLA的超快X射线脉冲对它们进行探测。X射线所捕捉的数据显示，在被第四个光子击中后，光系统II会在百万分之几秒的时间内分解水分子，然后释放出水中的氧气。
他们还观察到，在水的分解与氧分子的释放之间，存在一定的时间延迟，换句话说，这二者并不是同时发生的。这在之前是未曾发现的。
从光系统II的其他部分在氧原子周围的排列来看，研究人员认为在这个阶段，氧原子形成了某种新的结构，它们既不会轻易地与氢结合，也不会聚集在一起形成更大的氧分子，而是短暂地与光系统II的另一部分结合。
在另一项研究中，德国柏林自由大学与意大利拉奎拉大学的研究人员将注意力聚焦在了水分解过程的最后阶段。他们没有用X射线对原子进行拍摄，而是用红外光来确定电子和质子如何在原子之间移动。他们从40千克新鲜菠菜中提取出光系统II，用可见光对其进行撞击，再用红外光进行照射。当光系统II吸收了红外辐射时，每个波长都与一种特定键的振动相关。研究人员将这些测量结果与光合作用中的电子和质子运动的计算机模拟相结合。
他们发现了一个关键的新步骤：在氧原子和光系统II的其他部分之间，三个质子与一个电子交换。劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员表示，从一些X射线图像来看，似乎表明在水分解过程的最后阶段，这种质子运动可能会发生两次。
这些发现揭示了大自然是如何优化光合作用的。许多科学家原本认为我们永远也无法捕捉到的这些信息。它们的出现彻底地改变了我们对光系统II的看法。虽然基于现有的数据，他们还无法描绘这些氧原子的确切构型，但这已经让他们可以排除在过去几十年里，人们提出的一些其他模型和想法。此外，这些结果也将有助于科学家开发出能够模拟光合作用的人工光合系统。
现在，两个团队都希望能在未来使用更快的X射线，更清洁的光系统II样本和更多的红外光来揭示更多的细节。这些研究光合作用的方法是互补的，研究人员从这些实验中获得的数据越多，就越接近于揭晓这个过程的每一个小步骤，从而完善整个故事。