光合作用是地球上生命赖以生存的基础过程，而其中的光系统II（PSII）是启动能量转换的关键组件。光系统II是一个蛋白-色素复合物，其结构中包含两条看似对称的路径——D1和D2分支。然而，科学家长期以来发现电子似乎只沿着D1分支流动，而D2分支几乎不起作用，这一现象困扰了研究者数十年。
近日，印度科学研究所和加州理工学院的研究团队通过分子动力学模拟、量子力学计算以及诺贝尔奖得主马库斯理论，终于解开了这一谜团。他们发现，D2分支的能量壁垒远高于D1分支。具体而言，电子从脱镁叶绿素转移到质体醌所需的活化能在D2分支中是D1分支的两倍。此外，电流-电压特性模拟显示，D2分支的电阻比D1高两个数量级，使得电子传输在能量上不利。
研究进一步揭示，这种不对称性可能与光系统II周围蛋白质环境以及色素分子的嵌入方式有关。例如，D1分支中叶绿素的激发态能量低于D2分支，使其更容易吸引并转移电子。研究人员提出，通过调整某些组分（例如交换D2分支中的叶绿素和脱镁叶绿素，因为叶绿素所需的活化能较低），可以克服这一电子阻断，甚至重新布线电子流。
这项研究不仅加深了科学界对自然光合作用的理解，还为设计能够将太阳能高效转化为化学燃料的人工光合系统提供了重要的理论依据。这一发现有望推动创新型可持续能源解决方案的发展，为应对全球能源危机提供新的技术路径。
参考信息
“Unveiling the charge transport blockade in the D2 branch of the photosystem II reaction center” by Aditya Kumar Mandal et al., 8 July 2025, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2405023122