科学家们已经发现，在光合作用这一关键过程中，为何两个看似相同的路径只使用其中一个，并揭示了隐藏的能垒和结构细微差别，这有助于构建更高效的人工系统。

印度科学学院（IISc）和加州理工学院（Caltech）的科学家们解开了光合作用早期阶段一个长期存在的谜团背后的原因。这一至关重要的自然过程使植物、藻类和某些细菌能够利用阳光，产生氧气并以化学形式储存能量。

研究人员发现了能量传递（尤其是电子的运动）这一关键步骤为何仅发生在启动光合作用的蛋白质-色素复合体的一侧。他们的研究成果已发表在《美国国家科学院院刊》上。

尽管光合作用已被广泛研究，但其许多方面仍不清楚。该过程涉及色素分子之间复杂的电子传递链，其速度和结构复杂性使得人们难以完全理解。此外，不同生物体进行光合作用的方式存在细微差异，这增加了理解的难度。对这些机制有更深入的了解，可以支持人工叶片和燃料电池等先进技术的发展，这些技术能够复制大自然将阳光转化为可用能量的能力。

光系统II：光合作用的启动平台

在大多数生物体中，一种名为光系统II (PSII)的蛋白质-色素复合物通过捕获阳光中的能量并分解水，启动光合作用，提供氧分子并释放电子，这些电子随后被传递到后续的蛋白质和分子中。

光系统II包含两个相同的臂，称为D1和D2，四个叶绿素分子和两个脱镁叶绿素（与叶绿素相关的色素）围绕这两个臂对称排列。这两个臂还与称为质体醌的电子载体分子相连。电子首先从叶绿素流向脱镁叶绿素，然后从脱镁叶绿素流向质体醌。

但研究表明，电子似乎只沿D1流动——这一谜团长期困扰着研究人员。论文第一作者、印度理工学院物理学系博士生阿迪提亚·库马尔·曼达尔说：“尽管PSII中的D1和D2蛋白分支结构对称，但只有D1分支具有功能活性。”

绘制能源地图

在这项研究中，研究人员结合了分子动力学模拟、量子力学计算和Marcus理论（电子转移领域的诺贝尔奖框架），绘制了两个分支中电子运动的能量图谱。“我们逐步评估了通过D1和D2两个分支的电子转移效率”，物理学系博士生兼本文作者之一舒巴姆·巴塞拉说道。

研究团队发现，D2 分支的能量壁垒要高得多，这使得电子传输在能量上不利。具体而言，D2 中从脱镁叶绿素到质体醌的电子转移所需的活化能是 D1 的两倍——这一壁垒似乎难以被电子克服，从而阻碍了能量的向前流动。

研究人员还模拟了两个分支的电流-电压特性，发现D2对电子运动的阻力比D1高两个数量级。

未来光合作用的工程化

研究者们认为，电子流的不对称性也可能受到光系统II (PSII)周围蛋白质环境的细微差异以及色素嵌入方式的影响。例如，D1中的叶绿素色素比D2中的对应色素具有更低的激发态能量，这表明D1中的色素吸引和转移电子的机会更大。

研究人员还建议，调整其中一些组成部分可以促进或重新连接光系统II (PSII) 中的电子流。例如，用D2中的叶绿素替换脱镁叶绿素，可以克服电子阻碍，因为叶绿素所需的活化能低于脱镁叶绿素。

“我们的研究在理解自然光合作用方面取得了重大进展，”物理学教授、本研究的通讯作者之一普拉巴尔·K·迈蒂说道。“这些发现可能有助于设计出高效的人工光合系统，将太阳能转化为化学燃料，为创新和可持续的可再生能源解决方案作出贡献。”

加州理工学院教授、本文通讯作者之一的比尔·戈达德表示，这是不同层面理论的完美结合，解决了一个长期存在的问题，从而使人们对该问题的理解达到了新的高度，但其中仍有许多未解之谜有待探索。

参考文献：《揭示光系统II反应中心D2分支中的电荷传输阻滞现象》，作者：阿迪提亚·库马尔·曼达尔、舒巴姆·巴塞拉、威廉·A·戈达德和普拉巴尔·K·梅蒂，发表于2025年7月8日，载于《美国国家科学院院刊》。数字对象唯一标识符：10.1073/pnas.2405023122

资金资助：印度阿努山丹国家研究基金会（ANRF）

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