海洋藻类光合作用的重要性与机制 - 海洋藻类贡献了全球45%的初级生产力，与陆地相当，人类每次呼吸的氧气有一半来自海洋藻类，尤其是红色系藻类[4][21] - 全球光合作用每年合成高达2200亿吨有机物，同时固定4000亿吨二氧化碳，这几乎是人类每年能耗的10倍[3][19] - 硅藻一个种群就能贡献海洋40%或全球20%的光合生产力，相当于陆地上所有热带雨林的贡献[5][22] - 光合作用的核心是光系统，藻类和植物拥有光系统I和光系统II两台“发动机”，协同工作将太阳能转化为化学能并固定二氧化碳[3][19] 海洋藻类独特的捕光策略与结构解析 - 海水下光线经衰减后红光和蓝光稀少，绿光丰富，海洋藻类进化出与陆地植物不同的捕光策略以利用绿光[4][21] - 研究团队使用强度达普通X光机10亿倍以上的超级同步辐射光源，通过X射线衍射晶体学技术解析硅藻捕光蛋白结构[7][8][23][24] - 2017年，通过识别捕光蛋白中的钙离子、镁离子等轻金属坐标，成功解析出首个硅藻光合膜蛋白——岩藻黄素叶绿素蛋白（FCP）的结构[9][26] - 硅藻FCP捕光天线每个单体蛋白结合7个叶绿素a、2个叶绿素c和8个岩藻黄素分子，其结合色素的重量与蛋白本身重量相当[10][26] 硅藻高效捕光机制的科学发现 - 硅藻FCP不结合叶绿素b，腾出位置给叶绿素c和岩藻黄素，其结合的岩藻黄素数量（8个）相比陆地植物捕光天线翻倍[10][27] - 岩藻黄素分子更长且具有氧化修饰，使其捕光范围扩大到了绿光区域[10][27] - 解析硅藻光系统I和II的结构细节，揭示了其在深水下捕获绿光并适应快速变动光环境的分子机制，该成果入选2019年中国科学十大进展等荣誉[10][26] 颗石藻超级光系统的突破性发现 - 研究团队在颗石藻中发现目前最大的光系统I复合物，它结合了38个FCP捕光天线和超过800个色素分子，光能量子转化效率超过95%[11][28] - 使用2017年获诺贝尔化学奖的冷冻电子显微镜技术，解析了这颗石藻光系统I的超级结构，该结构在30纳米尺度下呈现符合斐波那契数列的漩涡排列[12][29][30] - 颗石藻拥有多达99个捕光天线基因，而陆地植物通常只有十几个，其光系统I中38个天线的排布正好形成8圈，对应斐波那契数列的第7个数字[13][30] - 在飞秒尺度检测发现，该超大光系统I对不同颜色光的能量利用效率均超过95%，平均接近100%的量子转化效率，即捕获一个可见光光子即可产生一个电子，被视为光物理奇迹[13][30] 藻类高效固碳策略及其启示 - 颗石藻和硅藻通过“羧酶体”或蛋白核，将固碳酶附近的CO₂浓度提高几百甚至上千倍，从而大幅提升固碳效率[13][30] - 颗石藻能利用光合作用能量合成碳酸钙细胞壁（颗石片），形成“双重碳汇”，既制造有机碳又沉积无机碳，其大量繁殖形成的沉积物是白垩纪地层的来源[14][31] - 颗石藻的双重固碳策略为人工模拟光合作用和封存二氧化碳提供了优秀范例，已启发与中科院上海有机所团队在前沿人工光合作用领域的合作[14][31] 研究成果的应用前景与未来设计方向 - 将硅藻捕获绿光的FCP机制移植到陆地作物（如密植玉米）中，有望提升下层叶片对绿光的利用，从而增加粮食产量[11][27] - 在垂直农业和智能化植物工厂中，设计可利用绿光的“智慧植物”及节能光配方，有望节约30%以上的LED照明能源成本[11][28] - 结合AI蛋白质预测与设计技术，可快速预测数千种作物的超过36500个捕光天线序列与结构，从而精准设计高产作物的捕光系统，提升光合效率与产量[15][32] - 受到颗石藻双重固碳策略启发，结合工业碳捕集利用与封存技术，协同自然光合与工业固碳，可为2060年碳中和目标提供新技术与新思路[15][32] - 中国在光合作用微观结构和机理研究领域已走在世界前列，研究团队已在《自然》、《科学》杂志发表多个封面成果，掌握了多种生物光合系统的精细构造[14][31]