解開光合作用謎團！科學家揭示能量單向傳輸的精妙設計，啟發潔淨能源開發。

多年光合作用謎團終於解開：揭示自然界捕獲陽光的精妙設計

「我們的研究代表了在理解自然光合作用方面的一個重大進展。這些發現可能有助於設計有效的人工光合作用系統，能夠將太陽能轉化為化學燃料，為創新和可持續的再生能源解決方案做出貢獻。」– Prabal K Maiti, 印度科學研究所物理系教授。

(光合作用核心謎團的破解): (科學家們終於解開了光合作用中能量為何只沿單一路徑傳輸的謎團，這項發現揭示了自然界捕獲陽光的精妙設計，並有望啟發人類創造潔淨能源。)


光合作用是地球上最重要的生物化學過程之一，是植物、藻類和某些細菌利用太陽光將水和二氧化碳轉化為氧氣和富含能量的化合物的關鍵機制。儘管科學家們對光合作用進行了數十年的研究，但其精確的分子機制仍然存在許多未解之謎。最近，印度科學研究所（IISc）和加州理工學院（Caltech）的科學家們聯手解決了一個長期存在的謎團：為什麼光合作用中的能量只沿著光系統 II（PSII）中的一條路徑傳輸，而不是兩條？這項突破性的研究發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，為我們深入理解光合作用的精妙設計提供了新的視角，並有望推動人工光合作用技術的發展。


(光系統II的結構與功能): (PSII是光合作用的起始點，結構上具有高度的對稱性，但功能上卻呈現出奇異的不對稱性，這一直是科學家們長期困惑的問題。)


PSII是光合作用中的一個關鍵蛋白質-色素複合物，它負責捕獲太陽光並分解水分子，釋放氧氣並將電子傳遞到能量轉移鏈中的其他分子。PSII包含兩個幾乎相同的分支，分別稱為D1和D2，周圍環繞著四個葉綠素分子和兩個稱為去鎂葉綠素的相關色素。這些組件以對稱的方式排列，並連接到稱為質體醌的電子載體。依照結構上的對稱性，電子應該可以沿著D1和D2兩條分支，從葉綠素傳輸到去鎂葉綠素，然後傳輸到質體醌。然而，實驗結果始終顯示，電子僅沿著D1分支移動，這使得科學家們感到困惑不解。


(能量壁壘與電子傳輸效率): (研究團隊發現，D2分支存在更高的能量壁壘，阻礙了電子的傳輸，這是造成光合作用不對稱性的主要原因。)


為了探究這種不平衡，研究團隊結合了分子動力學模擬、量子力學分析和馬庫斯理論（一種描述電子轉移的諾貝爾獎獲獎模型）來分析兩條路徑中的能量模式。研究結果顯示，D2分支具有更高的能量壁壘，使得電子傳輸在能量上變得不利。具體而言，D2分支中電子從去鎂葉綠素到質體醌的轉移所需的活化能是D1分支的兩倍。這個巨大的能量壁壘使得電子無法克服，從而阻止了能量的向前流動。研究人員還模擬了兩個分支的電流-電壓特性，發現D2中電子移動的電阻比D1高兩個數量級。


(蛋白質環境與色素嵌入的影響): (除了能量壁壘之外，PSII周圍的蛋白質環境以及色素的嵌入方式也可能影響電子流動的不對稱性。)


研究人員指出，電子流動的不對稱性也可能受到PSII周圍蛋白質環境的微妙差異以及色素嵌入方式的影響。例如，D1中的葉綠素色素的激發態能量低於D2中的對應物，這表明D1色素更有可能吸引和轉移電子。這些細微的結構和能量差異共同作用，導致了PSII中電子傳輸的不對稱性。


(人工光合作用的啟示): (這項研究為設計高效的人工光合作用系統提供了重要的見解，有望開發出創新的可再生能源技術。)


這項研究不僅揭示了光合作用的基礎機制，還為設計高效的人工光合作用系統提供了重要的啟示。研究人員建議，可以通過調整PSII中的某些組件來增強或重新佈線電子流。例如，交換D2中的葉綠素和去鎂葉綠素可以克服電子阻礙，因為葉綠素需要的活化能低於去鎂葉綠素。通過深入理解自然光合作用的精妙設計，我們可以開發出更有效的人工光合作用系統，將太陽能轉化為化學燃料，為創新和可持續的再生能源解決方案做出貢獻。

「這是一個在不同層次上結合理論來解決長期存在的問題的美麗範例，最終達到了一個新的理解水平，但仍然留下了需要挑戰的謎團。」– Bill Goddard, Caltech 教授。

台灣的學者若想進一步了解此研究的詳細資訊，可以在Google Scholar上搜尋 “Photosystem II electron transfer asymmetry” 以及 “Aditya Kumar Mandal”、”Shubham Basera”、”Prabal K Maiti”、”Bill Goddard” 等關鍵字，以找到相關的學術論文。

Ref:

Indian Institute of Science (IISc). (2025, October 13). Decades-old
photosynthesis mystery finally solved. ScienceDaily. Retrieved October 13, 2025
from www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251012054624.htm