陽光是地球生命重要的能量來源，卻也潛藏著傷害，但一些海藻能在太陽下安然無恙進行光合作用，這引起科學家的好奇。近期，日本的科學家揭開藻類身上的一種特殊蛋白色素，能夠像防晒罩為藻類提供完美的保護。
這次，日本大阪都市大學（OMU）研究人員及其合作者共同發現，一種生長於潮間帶的海藻，體內含有一種名為「虹彩蛋白」的色素，能幫助它在強烈陽光下不被灼傷，並有效率的進行光合作用。
這項發現有望啟發人們，開發出模仿自然界內建保護機制的新型太陽能技術。該成果於10月15日發表在著名期刊《細胞》（Cell）。
光合作用並非完美
許多動植物會進行光合作用，其中「光捕獲複合物」（LHC）在光合作用過程中扮演著收集光能的關鍵角色，但光照過強的情況下，它就會因能量過載而受損，進而傷害植物和其它生物。
這種危險過載來源於葉綠素進入一種被稱為「葉綠素三重態」的高能激發狀態。這種不穩定的狀態，會將多餘的能量傳遞給周遭的氧氣分子，使它們變成「活性氧物種」（ROS），也是人們常說的「自由基」。過多的自由基會無差別的攻擊蛋白質、脂質、DNA，導致光合作用系統癱瘓，甚至細胞死亡。
為了保護植物與藻類的細胞，其內部的類胡蘿蔔素（Carotenoids）扮演至關重要角色。它們透過「三重態-三重態能量轉移」（TTET）過程，迅速將這些有害能量轉化為無害的熱能進行釋放。
不過，這套防禦系統存在一些漏洞，例如，菠菜光捕獲複合物中的葉黃素（Lutein）是執行此任務的主力，但在低溫或極端強光的環境下，就會有部份葉綠素三重態來不及被去除，發生損害植物細胞的情況。
揭開脆弱海綿藻的秘密
這次，研究團隊選擇了海洋的綠藻「脆弱海綿藻」（刺松藻，Codium fragile）作為研究對象。它生長在極端多變的潮間帶，這意味著它要想生存下去，就必須擁有一套極為高效可靠的保護機制。
另外，它與陸生植物一樣擁有葉綠素（Chl）、光捕獲複合體（LHC II），也含稀有的類胡蘿蔔素（Car）。這些類胡蘿蔔素能夠讓藻類在水下環境中，利用藍綠光進行光合作用，而這些藍綠光在潮間帶水域特別常見。
研究人員利用先進的電子順磁共振（TR-EPR）技術與直接測量三重態激發態的光譜技術，檢查菠菜和脆弱海綿藻的能量轉移過程。
結果顯示，菠菜中存在葉綠素三重態、類胡蘿蔔素三重態的殘留訊號，證實其能量轉移過程中存在「不完整性」。然而，脆弱海綿藻的TTET有害訊號完全消失，顯示其類胡蘿蔔素幾乎能完全抵銷有害能量。
虹彩蛋白護藻類免受陽光損傷
脆弱海綿藻產轉移TTET的效率，遠超科學家們以往的認知，而所有的線索都指向脆弱海綿藻體內一種特殊的類胡蘿蔔素。
研究人員使用電子順磁共振（EPR）數據與量子化學模擬相結合，確定了位於Cf-LHCII複合物中含有一種特殊的酮式類胡蘿蔔素。它名為「虹彩蛋白」（SiPhonein），是負責這種防禦機制的關鍵色素。
為準確找出這個防晒罩，他們使用更為精密的儀器「光學偵測磁共振」（ODMR）進行測定。結果顯示，虹彩蛋白與葉綠素之間，存在著一種前所未有的、極其強烈的電子交互作用。這種超強的連結，讓危險的三重態能量在形成的瞬間就極快的被安全移除。
研究人員表示，這次研究成果除了增進我們對光合作用的理解，還有助於設計出能自我保護、免受光損傷的仿生太陽能技術。原因是目前許多高效的光敏材料容易在強光下降解，若未來能將此機制應用在其它設備上，將為再生能源帶來更持久、更有效率的解決方案。
「生物體利用類胡蘿蔔素快速耗散多餘的能量，或透過一種稱為三重態-三重態能量轉移（TTET）的過程來消除（猝滅）這些三重態。」大阪市立大學理學研究生院和人工光合作用研究中心的首席作者兼副教授藤井律子（Ritsuko Fujii）對大阪市立大學新聞室表示。
藤井接著說，「我們希望進一步闡明提高消除效率的類胡蘿蔔素結構，最終實現優化光合作用天線（接收器）的設計。」
該研究的共同第一作者、意大利帕多瓦大學（University of Padua）研究員亞歷山德羅‧阿戈斯蒂尼（Alessandro Agostini）則表示，「消除機制的關鍵在於三重態失活的速度和效率。我們研究表明，光合綠藻的光捕獲複合物結構，具有極佳的光保護功能。」#
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