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在绿色植物光合作用中，光系统 II（PSII）的叶绿素 a（Chl a）和叶绿素 b（Chl b）共存的优势不明。研究人员通过网络分析结合量子动力学计算，研究 PSII 超复合物中激发能转移。结果显示自然 Chl 组成可防能量溢出，该研究有助于理解植物光能捕获与环境适应。
在神奇的植物世界里，光合作用是绿色植物生存的 “魔法”，而叶绿素（Chls）则是这场 “魔法表演” 中的关键角色。它们就像一个个小小的能量收集器，在光合作用中负责吸收光能，并将其传递到反应中心（RCs），进而引发电荷分离，为植物的生长提供能量。然而，当光照过于强烈时，叶绿素又得承担起 “消防员” 的职责，参与多余激发能的热耗散，防止植物遭受光氧化损伤。
在陆地植物的光系统 II 超复合物（PSII SC）中，叶绿素 a 和叶绿素 b 同时存在于外周捕光天线的捕光复合物 II（LHCII）中，而核心复合物中只有叶绿素 a。叶绿素 b 因其在特定波长下较高的吸收系数和比叶绿素 a 更高的激发能级，理论上能提高 LHCII 的捕光效率。按照常理，LHCII 似乎应该只结合叶绿素 b，这样就能实现最大的激发能转移（EET）效率。但令人疑惑的是，自然界中的 LHCII 却始终同时保留着叶绿素 a 和叶绿素 b，这背后的原因一直是个未解之谜。
为了揭开这个谜团，研究人员开展了深入研究。他们通过建立一种将网络分析与量子动力学计算相结合的方法，对整个光系统 II 超复合物内的激发能转移进行模拟研究。研究结果表明，自然的叶绿素组成能够让激发能优先通过特定的区域，这些区域就像是 “安全阀” 一样，有效防止了下游的能量溢出。这意味着，光系统 II 超复合物中的捕光蛋白在自然的叶绿素 a/b 比例下，能够在不同光照强度下高效且安全地捕获光能。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，对于我们理解绿色植物如何捕获光能以及适应不断变化的环境条件具有重要意义。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，通过量子动力学方法估计叶绿素间的 EET 速率常数，并采用 “域” 的概念模拟不同距离下的 EET 过程。其次，运用网络理论将 EET 信息构建成网络，以节点代表叶绿素域，链接表示 EET 速率常数，从而对 EET 动态过程进行量化和模拟。此外，通过数值模拟 EET 的马尔可夫过程，计算各域的激发概率、电荷分离产率等关键参数。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 自然 PSII SC 的 EET 网络：研究人员分析了豌豆（Pisum sativum）的 PSII SC（蛋白质数据库编号：5XNL），通过量子动力学方法和网络理论构建了自然 EET 网络。该网络展示了 PSII 核心与外周天线各 LHCII 组件之间的能量整合情况，并且模拟得到的激发概率分布和电荷分离产率与实验值相符，验证了研究方法的有效性。
- 合成 EET 网络的假设 PSII SC 模型：研究人员构建了包含不同叶绿素 a 和叶绿素 b 组合的假设 PSII SC 模型，如全 a 型或全 b 型 LHCII 的模型。分析发现，全 a 型 PSII SC 中激发概率在 1 ns 时，外周天线仍较高；全 b 型 PSII SC 中，内部天线的激发概率更高，且电荷分离产率最高。这表明叶绿素 b 数量的增加可提高电荷分离产率，但也存在潜在问题。
- EET 的累积激发能流分析：研究人员提出累积输入（CI）和净累积流（NCF）两个关键指标来追踪激发能流。结果显示，自然型 PSII 的能量主要通过 CP43 或 CP47 的域流向 RCs；全 a 型 PSII SC 的能量易被困在外周区域；全 b 型 PSII SC 则能有效将能量导向 RCs，实现最高的电荷分离产率。
- PSII SCs 的捕光和光保护能力：增加叶绿素 b 的含量不仅能提高吸收效率，还能通过 “漏斗效应” 提升 PSII SC 的捕光效率。此外，自然 PSII SC 可通过三聚体 LHCII 或 CP29 中的非光化学淬灭（NPQ）有效防止光损伤，且三聚体 LHCII 中的 NPQ 对激发能的淬灭效率更高。
研究结论和讨论部分指出，该研究通过网络分析为理解 PSII SC 的整个系统提供了整体方法，揭示了自然 LHCII 中叶绿素 a 和叶绿素 b 共存的优势。只有自然 PSII SC 能在高效将激发能转移到 RC 的同时保护自身。此外，研究发现 “棘轮” 系统在捕光效率上比单调的漏斗系统更具优势，这为提高光能转换系统（如光伏材料）的效率提供了潜在策略。该研究从网络角度为理解光系统提供了新的视角，未来可进一步探索其他网络科学方法，以更深入地理解自然系统。
