颗石藻如何实现高效光合？中国科学家“看清”了

2025-09-14 10:51机械之最

在广袤的海洋中，生活着一类不起眼却意义非凡的浮游植物——颗石藻。它们不仅是支撑海洋食物链的初级生产者，还曾在白垩纪时期大量繁殖，用碳酸钙外壳堆积出如今我们所见的白垩地层，深刻影响着全球碳循环。更神奇的是，无论海水深浅、光线强弱，颗石藻都能高效利用光能生长繁殖。这个海洋“光合高手”的能量利用秘诀，如今终于被中国科学家揭开。

9月12日，国际顶级学术期刊《科学》以封面论文的形式，刊登了中国科学院植物研究所王文达研究员和田利金研究员团队的重大发现。他们首次“看清”了颗石藻光系统的微观结构，在分子层面破解了其高效捕获、利用光能的分子机制，为人类理解光合生物的适应进化提供了全新视角。

颗石藻光系统I-捕光天线超大复合物结构及其能量转化效率

一个“巨型机器”：51个蛋白+819个色素，规模远超陆地植物

要搞懂颗石藻的光合秘诀，首先得看清它的“能量转化装备”。研究团队瞄准的是颗石藻中负责光能吸收和转化的核心——光系统I-岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（PSI-FCPI）超级复合物。这可不是一个简单的蛋白质，而是一个名副其实的“巨型分子机器”。

通过结构生物学技术，团队成功解析出这个复合物的三维结构：它由51个蛋白亚基和819个色素分子组成，整体分子量达到1.66兆道尔顿（可简单理解为分子的“重量单位”）。这个规模有多惊人？对比我们熟悉的陆地植物——比如豌豆，颗石藻的这个光合复合物，捕光截面是豌豆的4到5倍。打个比方，如果说豌豆的光合系统是“小太阳能板”，那颗石藻的就是“巨型集光阵列”，能最大限度地把周围的光线抓进来。

两大关键设计：“旋涡天线”+特殊色素，兼顾多捕光和高效率

光捕捉面积大，不代表效率高——就像大渔网可能网住更多鱼，但也可能因为网眼太大或结构混乱漏掉目标。但颗石藻却做到了“捕得多，转得好”，研究发现其光能量子转化效率超过95%，和陆地植物的顶尖水平相当。这背后藏着两大精妙设计。

第一个设计是旋涡式捕光天线。在颗石藻的PSI核心周围，38个FCPI捕光天线以模块化的方式排列成8个放射状的条带，形成一个围绕核心的旋涡结构，能从各个方向捕捉光线，极大扩展了捕光范围，让深海中微弱的光线也能被充分利用。

第二个设计是特殊色素组合。团队发现，这个光合复合物里含有大量叶绿素c和岩藻黄素类型的类胡萝卜素。这两种色素有个特殊本领——它们特别擅长吸收深海中最常见的蓝绿光和绿光（波长在460~540纳米之间）。要知道，阳光进入海水后，红光、橙光会很快被吸收，到了深海，剩下的大多是蓝绿光。颗石藻的这些色素，就像为深海环境量身定制的“光线接收器”，能精准捕捉到其他生物难以利用的光资源。

更巧妙的是，这些色素并非杂乱分布。大量叶绿素c和叶绿素a紧密配合，光能被捕捉后，能快速、无损耗地传递到反应中心，不会出现“能量陷阱”（即光能在传递中浪费掉）。这正是它能在捕光面积大增的同时，还保持超高转化效率的关键。

“颗石藻光系统复合物的结构解析和机理研究，为理解光合生物高效的能量转化机制提供了新的结构模型”，王文达表示，“未来，我们也希望以此为基础设计新型光合作用蛋白，并进一步指导人工模拟和开发高碳汇生物资源，这在合成生物学和气候变化应对领域，都具有巨大潜力。”（光明网记者宋雅娟）