由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第69期演讲2025年12月20日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。中国科学院植物研究所研究员王文达出席，并以《向海洋藻类借光 设计未来的高效光合作用》为题发表演讲。
演讲实录：
大家好！
今天我跟大家聊一聊，一群渺小而伟大的海洋微生物。它们是一群可以利用太阳光自给自足，还是给地球和人类作出重大贡献的微小藻类。
我想大家都很清楚，人类起源于海洋，那支撑我们和动物呼吸的氧气从哪里来？30亿年前的一场“革命”改变了地球，一群被称为蓝藻或蓝细菌的微生物登上了舞台，它们进化出了一个震撼世界的“黑科技”，叫做光合作用。通过吸收太阳光，固定二氧化碳，合成有机物并释放出氧气，开启了地球的“氧气时代”。
在我们现在的地球上，光合作用每年合成的的有机物高达2200亿吨，同时固定4000亿吨二氧化碳，这几乎是人类每年能耗的10倍。
光合作用的第一步，就是需要捕获太阳光的能量，而可见光区域的一个太阳光光子一旦被捕获，就将以非常快的速度在这些光合膜蛋白内传递，在光系统中，将光能转化为生物可以利用的电化学能，可以说这样一个简化的光系统，就是光合作用的发动机。而且藻类和植物都有光系统I和光系统II两台发动机，用时髦的话讲就是前后四驱的配置。它们协同工作，才能顺利地利用，将二氧化碳 吸收，固定，合成糖和蛋白质等有机物。
发动机要工作，动力或能源就是太阳光的能量。我们看一下到达地球表面的太阳光分布，可以说主要就集中在人类眼睛也可以感受的可见光区域，其实就是彩虹的颜色，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，七色光。但是海水下的光线却不一样，
经过海水的衰减，红光和蓝光变得稀少，在深水下会有更多的靛蓝或绿光。因此，海洋藻类会采取跟陆地植物不一样的捕光策略。但海洋的面积很大，纵深很深，也使得海洋藻类贡献了全球45%的初级生产力，这与陆地相当。也就是说，每次你深吸一口气，有一半的氧气，是海洋藻类贡献的。尤其是其中的红色系藻类，是海洋生产力主要贡献者。
从颜色上看，它们跟绿色系的绿藻和陆地植物有明显的区别。比如江篱是这一种非常漂亮的红藻，紫菜和海带是我们经常食用的食物。还有一些更特殊的类群，比如用二氧化硅也就是玻璃武器自己的硅藻，能跟珊瑚虫共生的甲藻等，它们广泛分布在海洋中，在深水绿光丰富的环境下，捕获陆地植物不能利用的绿光，高效地完成光合作用。
为什么我们团队会研究海洋里面的红色硅藻和颗石藻呢？
时间还要拨回到18年前的2007年，当时我是研究生2年级，刚从上课的这个玉泉路校区回到实验室开展科研工作。有一个机会，我跟随师姐来到青岛海边采集一种潮间带的绿藻。跟海洋研究所的同行交流得知，他们经常提到一个观点：陆地是绿色的，海洋是红的。为什么这样说呢？
因为对生物学家和生态学家而言，海洋里面的红色系藻类占据主导地位。他们计算了：单单硅藻这个种群，就可以贡献海洋40或全球20%的光合生产力，跟陆地上所有 热带雨林的贡献差不多。颗石藻曾经是白垩纪海洋的霸主，它们对海洋的碳氮元素循环和生态系统平衡至关重要。虽然只是偶然聊到海洋中这些神奇的红色微藻，但我马上很敏锐的意识到，它们的光合作用非常有意思，但机制还不清楚。
当时有了这个想法，但苦于那会我还是个科研小白，水平还远远不够。我刚进入实验室，需要做好的事情是扎扎实实学习实验技能，因此我博士论文是关于潮间带的绿藻。我发现它在涨潮时也能吸收一点点绿光，跟红色系的硅藻有相似性。
一直到读博的第四年我坚定的“下海”啦，但没有广撒网，我开始专注得研究红色硅藻。
我面对的第一个科学问题是：硅藻在深水弱光或绿光为主的环境中，如何捕获并高效利用光能的？ 特别是它们如何捕获，陆地植物和绿藻不喜欢的绿光呢？为了解答这些问题，我们使用了多种生物学、物理和化学技术。最重要的一种叫做x射线衍射的晶体学技术：通俗的讲，就是将我们分离的硅藻红色捕光蛋白收集起来，在特定条件下将蛋白培养成晶体，再去给他们拍x光片。
比较幸运，我只用了1年时间，就获得这些形状非常规则的晶体，将它们放在高强度X射线下照射，会有不同的衍射图像，通常情况下通过计算机就可以计算出晶体中的分子和原子结构信息。
这是我们进行X射线实验的超级同步辐射光源，分别在上海和日本，它的强度可达到我们平常拍X光片机器的10亿倍以上。X光强度是足够了，但最关键的问题在于：你想探索一个完全未知的结构，就如同在一个黑箱子中摸索。如果没有在蛋白质中加入一些重金属作为参照物的话，不可能真正搭建出它的结构。但我碰到的问题洽洽是：硅藻的捕光蛋白无法结合金、银、铂等重金属。只能迫使我不停的提升晶体的分辨率和质量，希望通过蛋白本身的轻金属，来破解晶体结构解析过程中的坐标问题。
这个问题一直困扰我和整个团队到2017年。即使有了漂亮的晶体，高分辨率的数据，却难以破解这其中的捕光蛋白和色素信息。大家可以想象：嘴边的肥肉吃不到，还可能在激烈国际竞争下随时溜走，这是多么痛苦的感觉 。当时这个课题从读博做到博士后，已经6-7年了，可想而知，我的压力有多大。而且最绝望的是，跟我们合作的晶体学专家都放弃了，他们面对这个难题已经束手无策，也建议我放弃这个课题。但我很明白这只是他们合作课题中很普通的一个，而却是凝聚我8年心血的工作，是我的全部。任何人都可以放弃，唯独我不可以。
那怎么办？只能自力更生
于是我开始疯狂进补物理学和晶体学知识，学习各种软件，自己处理繁杂的数据，但历时半年依然没突破。时间来到2017年初的时候，终于迎来转机。
我在参加一个晶体学的高级培训班时接触到当时最新的软件和算法，在短短的一周培训班的时候，我发现计算机中出现了期待已久的坐标。就是这些捕光蛋白中结合的钙离子，叶绿素的镁离子等轻金属，成为了我这十年下海探险历程的灯塔。
在这些轻金属坐标的指引下，我终于看到了硅藻的捕光天线是什么样子？
这样一个硅藻捕光天线二聚体的每个单体蛋白中，结合了7个绿色叶绿素a分子，2个红色叶绿素c分子，和8个橙色的岩藻黄素分子，因此也被称作岩藻黄素叶绿素蛋白，简称FCP。这是第一个被解析的硅藻光合膜蛋白，它结合了大量的色素分子来增强自身捕获绿光的能力，它结合色素的重量是跟本身蛋白重量相当的。
取得这个突破之后，接下来的其他问题也迎刃而解。
随后我们又破解了硅藻两个光系统复合物，即硅藻光合作用发动机光系统i和ii的结构细节和捕光功能，揭示了硅藻在深水下充分捕获绿光，并适应快速变动光环境的结构基础和分子机制。这样的成果得到国内外广泛关注和高度评价，入选了2019年中国科学十大进展、生命科学十大进展、海洋科技进展，以及国家十三五科技成就展等荣誉。
那硅藻的FCP捕光天线是如何捕获绿光的呢？为什么如此擅长捕光？
这个问题的答案，就藏在它们的捕光色素里。我们发现硅藻FCP中不结合陆地植物中常见的叶绿素b分子，腾出来很多位置给叶绿素c和岩藻黄素。而且相比叶绿素a，叶绿素c丢掉了长长的尾巴，而捕获绿光的岩藻黄素刚好结合在这个尾巴的位置。因此相比陆地植物的捕光天线，硅藻fcp捕光天线结合的岩藻黄素数量翻倍，达到了8个。
另外，岩藻黄素跟陆地植物里面的叶黄素不一样，它们分子更长，而且多了重要的氧化修饰，让岩藻黄素的捕光范围扩大到了绿光区域。既然硅藻的FCP捕光天线是捕获绿光的“高手”，那能否移植到陆地植物中来提升对可见光全光谱的捕获能力，进一步提升光合作用效率呢？
因为它们很大一部分的光合作用能量浪费与绿光有关，而且农业生产中讲究合理密植来提升粮食产量，像密植玉米等作物的下层叶片特别缺少光照，而下层空间的丰富绿光却无法被植物叶片吸收利用。如果将硅藻FCP 捕获绿光的机制移植到这些作物中，将非常有可能提升粮食产量。
另外，在我们未来重点发展的，垂直农业和智能化植物工厂中，主要依靠led灯来为植物提供光能。研制节能光配方、设计可利用绿光的智慧植物，也将有望节约30%以上的能源成本。
要让绿色植物也能捕获绿光，必须要解决第二个核心科学问题：这些捕光天线是如何组装在光系统外围形成超级复合物呢？它们又是如何高效工作？
我们今年刚发表在《science》上封面论文也许能给你答案。我们发现颗石藻中有目前为止最大的光系统I复合物，这个光系统1结合了38个FCP捕光天线和800多个色素分子，但它的光能量子转化效率超过95%。《Science》封面专门解读时说到：我们的研究工作展现了光合生物演化的多样性，展现生命对光的极致追求。
要研究如此庞大的光系统膜蛋白复合物，用前面提到的晶体学方法是行不通的。
我们用2017年获得诺贝奖化学奖的冷冻电子显微镜技术来解决这个问题，它的特点就是不需要很多样品做成晶体，这个难度太大。仅仅需要少量样品，在冰层中形成单个光系统蛋白颗粒，再送到电子显微镜下拍照，就可以计算出这个颗粒的完成结构。
第一次拿到颗石藻光系统I的超级结构时，我们也被震撼了，它不但巨大而且非常的优雅，或者说具有一种符合黄金比例的美感。大家看一下这串数字，0 1 1 2 3 5 8 13，它们被称作斐波那契数列，前两个数字的加和等于第三位数。然后这些数字形成的方形和圆形就组成了自然界美妙的鹦鹉螺，花瓣、飓风风暴，甚至天文尺度的漩涡星系结构。我们惊叹的是，在微观世界30nm的尺度下，颗石藻FCP捕光天线围绕光系统I核心，呈现出类似的旋涡排列。这会使得颗石藻的光系统I发动机结构更紧凑，让光能传递更加高效。
为什么会形成如此奇妙的结构呢？
首先，我们发现颗石藻中有更丰度的基因资源。捕光天线基因多达99 个，而陆地植物中一般只有十几个。而在颗石藻光系统中发现的38个捕光天线排布非常有规律，他正好有8圈，是斐波那契数列的第7个数字。它的内层是祖先红藻保存下来的蓝色FCP天线，中间橙色的与堂兄弟硅藻的FCP 相似，而最外层的16个捕光天线是颗石藻独有的。这些硅藻和颗石藻特有的FCP捕光天线能像乐高积木一样拼插在一起，分别组成长短为2-5个捕光天线的不同条带，而且这些带状天线可以重叠在一起，这也预示可能会有更多的捕光天线可以拼插在外围。事实的确如此，最近我们发现了集合41个捕光天线的更大复合物。发现如此多个捕光天线结构之后，我们也怀疑这个超大光系统I的能量转化效率会不会大幅降低？
我们在飞秒，也就是10的-15次方秒的超快时间尺度 检测他的能量利用效率。发现分别用绿光，红光和黄光照射，能量利用效率都超过95%，如果算平均数值的话，很接近100%的量子转化效率了。也就是说这个超大光系统每捕获1个可见光光子，就可以产生1个电子。这比植物光系统I扩展了四倍的情况下，可以说是一个光物理奇迹！
颗石藻的光合发动机几乎100%的转化光能，那他如何驱动二氧化碳固定呢？
我们都知道海水中溶解的二氧化碳浓度很低，但颗石藻和硅藻都从他们的祖先蓝藻中继承了一个“绝活”，他们通过‘羧酶体’或蛋白核，将CO₂在固碳酶附近浓缩，可以让CO₂浓度提高几百甚至上千倍，大大提升了固碳反应效率。
而且颗石藻还进化出第二个绝活，它可以利用光合作用的能量将碳酸钙合成自己的细胞壁，就是这样的纳米级的透明颗石片，像洋葱一样层层包裹着保护着细胞。
在1亿年以前，颗石藻大量繁殖，它的外壳在海底大量沉积后，形成白色的白垩地层。因此白垩纪的名称就来自于颗石藻 ，也是光合生命塑造地球的重要证据。换句话说，颗石藻既通过光合作用制造有机碳，又通过细胞壁钙化沉积无机碳。是名副其实的‘双重碳汇！所以颗石藻为人工模拟光合作用和封存二氧化碳提供了一个非常好的范例。
此前中科院上海有机所的田佳团队，就已经仿生叶绿素分子，化学合成了很多叶绿素的类似物，而且他们可以组装成大分子并进行能量转移。甚至是再与催化剂装配在一起，固定还原二氧化碳，实现人工光合作用模拟。他已经找到我，与我合作起来，希望将颗石藻的最新结构应用在这一前沿领域。
前面讲了硅藻和颗石藻这些红色微藻的捕光能力和超级光系统发动机，那依托这些新发现，未来的高效光合作用该如何设计呢？
首先，可以非常自豪的讲，经过二十多年的追赶，我们国家在光合作用微观结构和机理研究领域，已经走在世界前列。如同这我们团队的这三个《nature》、《science》杂志封面展示的，我们已经了解了多种植物、藻类和作物的光合膜蛋白、光合发动机的精细构造。
从哪些地方改进设计呢？我想AI会帮我们给出更多选择、给出最佳答案。
2024年诺贝尔化学奖，表彰了三位科学家用AI预测和设计蛋白质，这开启了生命科学的新纪元。我们此前花费了十多年时间，仅仅解析了几十个捕光天线结构，但结合AI预测数据库，我们很快可以预测了几千种作物和植物的36500多个天线序列与结构，结合它们捕光和能量传递特点，我们可以精准设计高产作物的捕光蛋白和色素，更快速的改造作物，提升光合效率和产量。
而且受到颗石藻双重固碳策略的启发，结合更多的工业碳封存技术和工程化措施，同时进行自然光合和工业ccus固碳，将为2060年的碳中和目标，提供更多新技术和新思路。
我相信在了解自然微观结构的基础上，加大人工仿生、人工智能、和工程技术等研发力度，更合理地设计未来的光合作用，对于我们解决目前面临的粮食、能源和环境问题都大有帮助。
最后，谢谢大家！
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