光合作用數十年之謎終於解開。

他們的研究揭示了為什麼對於能量轉移很重要的電子的初始運動僅發生在關鍵蛋白質色素結構的一側。研究結果發表於 美國國家科學院院刊–

光合作用是電子在多個色素分子之間傳遞的一系列反應。儘管它已經被調查了幾十年。但這個過程仍然很難解釋。這是因為它涉及很多複雜的因素。工作時間非常快，不同品種之間略有不同。對這些過程的更深入了解可以幫助科學家開發高效的人工系統，例如合成葉子和太陽能燃料技術。模擬自然的設計

在大多數使用光合作用的生命形式中，該過程始於一種稱為光系統 II (PSII) 的蛋白質色素。這種複合物捕獲陽光並分裂水分子。它釋放氧氣並將電子轉移到能量轉移鏈中的其他分子。

PSII 由兩個幾乎相同的分支（稱為 D1 和 D2）組成，周圍環繞著四個葉綠素分子和兩種稱為脫鎂葉綠素的相關色素。它們對稱排列並連接到稱為質體醌的電子載體。理論上，電子應該從葉綠素遷移到脫鎂葉綠素。然後它沿著兩個分支移動到質體醌。

然而，實驗一致表明電子僅通過 D1 分支傳播，這一發現多年來一直困擾著科學家。 “儘管 PSII 中的 D1 和 D2 蛋白分支之間具有結構對稱性，但只有 D1 分支具有功能，”該研究的第一作者、IISc 物理系博士生 Aditya Kumar Mandal 解釋道。

為了檢查這種不平衡，該團隊結合了分子動力學模擬。量子力學分析和馬庫斯理論（描述電子如何轉移的諾貝爾獎獲獎模型）繪製了兩條路徑中的能量模式。 “我們評估了通過 D1 和 D2 場的逐步電子轉移的效率，”物理系博士生、作者之一 Shubham Basera 說。

研究小組發現 D2 分支具有更高的能壘。這使得電子傳輸不利。特別是 D2 中從脫鎂葉綠素到質體醌的電子轉移需要比 D1 兩倍的活化能，這是電子似乎無法克服的障礙。它阻止能量向前流動。

研究人員還模擬了兩個場的電流-電壓特性，發現D2中的電子運動阻力是D1中的兩倍。

研究人員認為，電子流的不對稱性可能受到 PSII 周圍蛋白質環境以及色素嵌入其中的方式的細微差異的影響。例如，D1中的葉綠素色素比D2色素具有更低能量的激發態，這表明D1色素有更好的機會吸引和轉移電子。

研究人員還建議，調整其中一些組件可以增加或改變通過 PSII 的電子流。例如，交換D2中的葉綠素和脫鎂葉綠素可以克服電子阻擋。這是因為葉綠素需要比脫鎂葉綠素更低的能量來激活。

“我們的研究標誌著在理解自然光合作用方面向前邁出了重要一步，”物理系教授、該研究的通訊作者之一普拉巴爾·K·邁蒂（Prabal K Maiti）說。 “這一發現可能有助於設計高效的人工光合作用系統，將太陽能轉化為化學燃料。這將帶來創新和可持續的可再生能源解決方案。”

這是不同層次理論的完美融合。加州理工學院教授、通訊作者之一比爾·戈達德 (Bill Goddard) 表示，解決長期存在的問題，從而提高理解水平，但這仍然留下了一些有待挑戰的謎團。