科學家破解光合作用數十年謎團 揭開能量傳遞的關鍵秘密

來自印度科學研究院(IISc)和加州理工學院(Caltech)的研究團隊，終於解開了光合作用初期階段一個長達數十年的謎團。這項突破性發現不僅解釋了為何電子傳遞僅發生在光合系統II(PSII)的單一分支，更為設計更高效的人工光合系統提供了關鍵線索。

研究發現，雖然PSII中的D1和D2兩條蛋白質分支結構上幾乎完全相同，但電子傳遞卻僅選擇性地透過D1分支進行。這項研究成果已刊登在《美國國家科學院院刊》。

研究團隊結合分子動力學模擬、量子力學計算與馬庫斯理論(一種諾貝爾獎級的電子傳遞理論)，首次完整繪製出PSII中電子傳遞的能量圖譜。結果顯示，D2分支具有更高的能量障礙，電子從脫鎂葉綠素傳遞到質體醌所需的活化能是D1分支的兩倍。

研究人員還透過模擬發現，D2分支對電子移動的阻力比D1高出兩個數量級。這種不對稱性可能源自PSII周圍蛋白質環境的細微差異，以及色素分子在其中的嵌入方式。例如，D1中的葉綠素色素激發態能量較低，使其更容易吸引並傳遞電子。

這項發現對開發人工光合技術具有重要意義。研究團隊指出，調整某些元件可能重新設計電子傳遞路徑。例如，互換D2中的葉綠素和脫鎂葉綠素位置，就能突破電子傳遞的阻礙。

「我們的研究為理解自然光合作用邁出了重要一步，」該研究的通訊作者之一、物理系教授Prabal K Maiti表示，「這些發現將有助於設計能將太陽能轉化為化學燃料的高效人工光合系統，為創新能源解決方案做出貢獻。」

加州理工學院教授Bill Goddard則評論道：「這是運用多層次理論解決長期難題的完美範例，不僅帶來了全新理解，也為後續研究開啟了新的挑戰。」