近日，ONE游戏ONE游戏物理科学与技术学院段红光与郑福禄教授团队联合牛津大学、多伦多大学等研究机构，在光合作用能量传递动力学领域取得重要进展，在国际著名顶刊《PNAS》上发表题为“红藻光系统Ⅰ中的激子能量传递现象揭示了蓝藻与植物之间的一条进化桥梁”的研究论文。物理科学与技术学院硕士研究生崔梦媛、刘子辉、博士研究生周俊华为论文第一作者，段红光、郑福禄为通讯作者，ONE游戏ONE游戏物理科学与技术学院为第一完成单位。
光系统I（PSI）是负责光合能量转换的核心复合物，具有接近100%的量子效率。然而，不同物种中PSI的能量传递与捕获机制在进化过程中存在显著差异：蓝细菌PSI的叶绿素主要分布于核心；高等植物PSI则依赖外围捕光天线复合物（LHCI）形成以天线为主导的激发能“陷阱“。而红藻Cyanidioschyzon merolae的PSI则呈现出独特的“混合”特征：兼具类蓝细菌的核心结构与植物LHCI类似的外围LHCR天线（Light Harvesting Complexes from Red Lineage），同时在核心和天线中均分布低能叶绿素，成为连接原核与真核生物光合机制的进化桥梁。
为揭示这一进化机制，研究团队利用超低温（8 K和80 K）二维电子光谱（2DES）技术，成功解析了C. merolae PSI中的激发态弛豫路径。实验发现，该PSI复合体在核心和天线区域同时存在双重低能“陷阱“态，激发能在亚皮秒至皮秒时间尺度内实现核心-天线界面的快速平衡，并最终向低能“陷阱“态汇聚。温度依赖性实验进一步表明：在极低温度（8K）下，激发态异质性地分布于多个低能态；而在80 K时，通过热激活可实现向核心低能“陷阱”态的汇聚，从而保证了高效的能量传递。
结合原子水平激子-振动模型与时间非局域主方程的量子动力学模拟，理论模拟完美再现了实验观测到的多时间尺度的动力学和温度依赖效应，证实了C. merolae PSI通过双重捕获位点扩展了光谱覆盖范围，同时维持了高效的能量漏斗特性。该工作首次从实验和理论上系统阐明了红藻PSI作为进化中间体的功能意义，为理解光合天线扩展如何重塑能量传递路径提供了关键证据，也为人工光捕获系统设计提供了重要启示。
该研究表明，即使在结构多样化的PSI中，热激活与多路径平衡仍能确保高效能量传递，为光合作用的进化研究提供了新视角。同时阐明了PSI低能“陷阱”态的双重作用：在C. merolae中，低能叶绿素既充当被动的光谱延伸，又作为动力学中间体，平衡了高效的光捕获与能量传递。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、宁波市国际科技合作项目、宁波市“甬江人才”计划等项目的支持。
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