藻类如何学会利用阳光又不被晒伤

光合生物利用名为捕光复合物（LHCs）的复杂分子系统吸收阳光并将其转化为可用能量。叶绿素是光合作用的核心绿色色素，它吸收光线后会被激发，并将能量传递给驱动化学反应的反应中心。然而，在光照过强时，叶绿素会进入危险的“三重态”，产生会损伤细胞的活性氧分子。
该研究的第一作者、大阪市立大学研究生院理学研究科及人工光合作用研究中心的副教授藤井律子（Ritsuko Fujii）表示：“生物通过一种称为三重态-三重态能量转移（TTET）的过程，利用类胡萝卜素来快速消散多余能量，即淬灭这些三重态。”
直到最近，这一保护过程的确切细节仍未被充分了解。
为了进行调查，研究团队将目光投向了刺松藻（Codium fragile），这是一种海洋绿藻。与陆生植物一样，它具有名为LHCII的捕光天线复合物，但还含有管藻黄素和管藻素等稀有的类胡萝卜素。这些色素使藻类能够利用水下环境中常见的绿光进行光合作用。
该研究的共同第一作者、意大利帕多瓦大学研究员亚历山德罗·阿戈斯蒂尼（Alessandro Agostini）说：“淬灭机制的关键在于三重态能被多快、多高效地灭活。”
研究人员使用电子顺磁共振（EPR）光谱法——一种可直接测量三重激发态的技术，对菠菜和刺松藻进行了比较。在菠菜中，仍残留有有害的叶绿素三重态痕迹。但在刺松藻中，这些信号完全消失，表明其类胡萝卜素成功中和了破坏性能量。
阿戈斯蒂尼表示：“我们的研究揭示，光合绿藻的天线结构具有出色的光保护功能。”
通过将EPR数据与量子化学模拟相结合，研究人员发现，位于LHCII复合物关键结合位点的管藻素是这一防御机制的关键色素。他们还揭示了其分子结构和位置使其在消散多余能量方面特别有效。
这些发现表明，海洋藻类不仅进化出特殊的色素来吸收水下可利用的蓝绿光,还能承受强烈阳光的破坏作用。
除了加深我们对光合作用的理解外，这项研究还可能影响仿生太阳能技术的设计，使这些技术能够自我保护免受光损伤。此类系统可能会催生更耐用、更高效的可再生能源解决方案。
藤井表示：“我们希望进一步阐明提高淬灭效率的类胡萝卜素结构特征，最终实现能优化光合天线的色素分子设计。”
该研究发表在《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志上。