在我还是本科生的时候，我经常遇到我后来喜欢称之为高等教育学生的“德比心态”。在足球中，“德比”是当地对手之间的比赛，即属于同一城市的球队之间的比赛。尽管拥有相同的家园、当地的历史和理想，不同球队的支持者却会因为自豪感而进行激烈的斗争：这种自豪感的理由无人理解，但只会让人们感觉更好。同样，数学学生鄙视工程师缺乏形式性，化学家指责生物学家忽视热力学定律，实验学家嘲笑理论家过于投机。对我来说，所有这些争吵听起来都是无稽之谈。我们不是在追求同一个目标——学习新事物——只是使用不同的工具吗？
最终，你毕业、长大，并意识到隐藏的知识常常存在于不同学科之间的边界处。这就是来自物理、生物化学和化学系的一组研究人员在联手探究科学中最具跨学科难题之一：光合作用时所证明的。
“光合作用是最具跨学科性的科学难题之一”
他们的研究结果现已发表在《自然》杂志上。简而言之，光合作用就是利用阳光的能量将电子从细胞的一侧移动到另一侧。这些微小的带电粒子离开水（被氧化成氧气，我们呼吸氧气），最终到达遥远的其他地方的二氧化碳（被还原成糖，植物的能量来源）。对我们来说不幸的是，这种交付发生得非常快，不到十亿分之一秒。正因为如此，人们只能“从某个点开始”了解植物的作用。现在，剑桥大学的科学家们已经成功地拦截并提取了非常早期的电子——光束击中叶子后立即产生——这几乎相当于在子弹从枪管中射出的那一刻就抓住了它。
为此，该研究的作者将活细胞和激光结合起来，使用一种称为瞬态吸收光谱 (TAS) 的技术来观察电子移动的速度。继续弹道类比，在这里，用激光脉冲扣动扳机，并使用连续光束在几分之一秒内拍摄子弹的动态镜头。这听起来像是一个复杂的实验，所以我询问了这项工作的共同第一作者、物理系卡文迪什实验室的 NanoFutures 研究员 Tomi Baikie，将生物学与光学结合起来有多困难。 “令人惊讶的是，一旦我们针对生物学进行了优化，事情就比预期容易得多”，我有些惊讶地听到他的回答，“你可以在台式仪器中向光合细胞发出红光，模拟来自太阳的光。这项工作的新颖之处在于研究体内的细胞，即它们的整体，这比简单地研究孤立的碎片可以提供更多的信息。”
叶子是绿色的，这意味着它们会过滤掉从太阳接收到的红色光。当连续光束（类比的高速相机）照射到叶子上时，穿过叶子的光束的红色部分的强度降低，这可以用探测器来验证。发生这种情况正是因为电子不断吸收红光。一旦发出强红色激光脉冲（触发器），电子就会进入高能状态，不再吸收红光。然而，这种情况持续的时间很短，因为之后它们立即开始转移，恢复原来的红色吸收状态。在激光束探测器中，信号在激光脉冲后经历突然跳跃，然后在一定时间内弹回到原始值。该信号随时间的变化是 TAS 实验的输出。恢复信号所需的时间提供了有关电子移动速度及其逐帧能量状态的信息。
“剑桥科学家成功拦截了早期电子，这相当于子弹离开枪管后就被抓住”
有趣的是，我们可以通过将细胞粘附到电极（如电池中的电极）并捕获光产生的电子来研究相同的动力学。 “我们不知道它们为什么这样做，但某些光合生物会自然地吐出电子”，张化学实验室的博士生罗宾·霍顿说。再次，我原以为将生物物质固定在人造电极上是一项棘手的任务，但罗宾向我保证，解释说“通过使用高度多孔的材料作为支撑，我们的生物很乐意呆在那里”。
我越来越清楚，使这一发现成为高影响力期刊的原因不是使用先进的实验方法或理论，而是开始合作的勇气。植物科学家 Laura Wey 培养、培育和改造活细胞。然后她将它们交给卡文迪什实验室，准备在暗室中用激光束进行检查。 “这个想法在概念上非常简单”，Tomi 辩称，“让一切变得不同的是这里的这个小术语”，他继续说道，并在笔记本电脑上强调了“光谱学”旁边的“超快”一词。他解释说，超快（时间尺度为千亿分之一秒）光学方法并不新鲜，但它们通常致力于探索太阳能电池等设备的材料。 “我们真的偶然发现了一个非常有趣的利基市场”，Tomi 总结道。这项研究因其潜在的实际意义也引起了很多共鸣。如果我们能够在光激发的电子在电池中进一步传输之前捕获它们，我们就有可能“连接”光合作用并在太阳能电池中利用这些电荷。
然而，也许我们应该停止向科学提出技术革命，而只是欣赏发现的美丽。当我问罗宾为什么我们应该继续研究光合作用时，他们最初说“植物吸收阳光并将其转化为能量，所以如果我们研究它，我们就可以破解它，也许可以解决能源危机”，但在短暂的停顿之后，他们添加“……可能不会，无论我做了什么研究，我们都会死于全球变暖。解决气候危机肯定需要采取集体和跨学科的行动”。然后他们补充道：“光合作用真是太聪明了。它已经进化了34亿年。我只是喜欢研究它，因为它真的很酷！”
我们将永远享受德比，但有时我们必须接受，通过加入“对手”，我们可以用简单的想法产生多大的影响。剑桥是实现这一目标的绝佳场所。
