刺松藻防晒黑科技 祕密藏在特殊色素中

陽光潛藏傷害，但海藻卻能在太陽下安然無恙進行光合作用。日本大阪公立大學（OMU）與義大利研究團隊發現，生長於潮間帶的「刺松藻」，含「Siphonein」色素，像防晒罩般能讓刺松藻在強烈陽光下不被灼傷，且有效率的進行光合作用。

動植物進行光合作用，「收光複合體」（LHC）包括葉綠素、葉黃素、類胡蘿蔔素等，在光合作用過程中，扮演收集光能的關鍵角色，但光照過強時，它會因能量超載受損，進而傷害植物和其他生物。

這種危險超載源自葉綠素「三重激發態」，會將多餘能量傳遞給周遭的氧分子，使它們變成活性氧化物，亦即自由基。過多的自由基會無差別攻擊蛋白質、脂質、DNA，導致光合作用系統癱瘓，甚至細胞死亡。

藻類所含類胡蘿蔔素，在保護藻類細胞方面扮演非常重要的角色。它們透過「三重態-三重態能量傳遞」（TTET）過程，迅速將有害能量轉化為無害熱能釋放。

不過，這套防禦系統仍有漏洞，例如：菠菜的葉黃素是執行這項任務的主力，但在低溫或極端強光下，會有部分葉綠素三重態來不及被去除，發生損害植物細胞的情況。

揭開刺松藻防晒祕密

大阪公立大學研究團隊選擇海洋綠藻「刺松藻」（Codium fragile）作為研究對象。它生長在極端多變的潮間帶，如果要生存下去，就得有高效率、可靠的保護機制。

刺松藻與陸生植物一樣擁有葉綠素、收光複合體II（LHC II）及類胡蘿蔔素。這些類胡蘿蔔素能讓藻類在水中環境，利用藍綠光進行光合作用。

研究人員透過電子順磁共振（TR-EPR）技術與測量三重激發態的光譜技術，檢查菠菜和刺松藻的能量傳遞過程。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，證實其能量傳遞過程「不完整」。但刺松藻的TTET有害訊號完全消失，顯示其類胡蘿蔔素幾乎完全抵銷有害能量。

刺松藻傳遞TTET的效率，遠遠超過以往認知，而所有的線索都指向刺松藻所含特殊類胡蘿蔔素。研究人員進一步確定Cf-LHCII中含「Siphonein」，一種特殊的酮式類胡蘿蔔素，負責這種防禦機制。

Siphonein阻止陽光傷害藻類

為準確找出這個防晒罩，他們使用更精密的光學偵測器測定。結果顯示，Siphonein與葉綠素之間，存在一種前所未有、極強烈的電子交互作用。這種超強的連結，讓三重態能量在形成瞬間，很快就被移除。

研究人員表示，這次研究成果除了增進對光合作用的理解，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。目前許多高效率的光敏材料容易在強光下降解，若未來能將這項機制應用在其他設備上，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能量，或透過TTET過程，消除（淬滅）這些三重態。」大阪公立大學理學研究生院、人工光合作用研究中心副教授、第一作者藤井律子（Ritsuko Fujii）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。」

研究共同第一作者、義大利帕多瓦大學（University of Padua）研究員阿戈斯蒂尼（Alessandro Agostini）表示，「消除機制的關鍵在於三重態去活化的速度和效率。我們的研究顯示，光合綠藻的收光複合體結構，具有極佳的光保護功能。」

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。研究成果已發表在《細胞》（Cell）期刊。◇