植物は、光合成を行うために光合成色素であるクロロフィルaとクロロフィルbを進化の過程で獲得してきました。光合成において中心的な役割を担う光化学系Iおよび光化学系IIにはクロロフィルaのみが含まれますが、光を集める役割を果たす「集光アンテナ複合体（LHCII）」にはクロロフィルaに加えてクロロフィルbも含まれており、エネルギーの捕集と輸送に関与しています。このLHCIIにおいて、これら二種類のクロロフィルが現在の比率と配置で共存していることの意義や、それによって得られる利点については、長年にわたり明らかにされていませんでした。

今回、自然科学研究機構 基礎生物学研究所の金恩哲助教（現：日本大学）と皆川純教授、自然科学研究機構 分子科学研究所／東京大学大学院理学系研究科の石崎章仁教授、韓国エネルギー工科大学のKim Heetae准教授らの国際共同研究チームは、エネルギーの流れを分子レベルで可視化する「量子輸送ネットワーク解析」という新たなアプローチを用いることで、この長年の謎に迫りました。この手法では、クロロフィル分子間で起こるエネルギーのやり取りを量子力学とネットワーク理論に基づいてモデル化します。従来見過ごされてきた非局在化（エネルギーが複数分子にまたがって存在する現象）などの量子効果も取り込むことで、光合成の内部動態をより高精度に捉えることが可能になりました。さらに、エネルギーがどの経路を通り、どのように渋滞や迂回を回避して目的地にたどり着くのか――その全体像を「交通網」として捉えることで、効率とリスク回避の両立を図る設計原理を可視化することが可能になりました。

研究チームは、光化学系II(PSII)がLHCIIと結合されているPSII-LHCII超複合体の分子構造に基づき、計算機上にエネルギー輸送ネットワークを構築しました。そして、このネットワークモデルに対して量子ダイナミクス計算を適用することで、超複合体内部におけるエネルギーの流れや、クロロフィルが吸収したエネルギーが光合成に利用される効率を定量的に評価することに世界で始めて成功しました。その結果、LHCII内におけるクロロフィルaとbの最適な配置が、光合成効率の向上に寄与するだけでなく、強い日差しといった過酷な光環境下で自らを保護する光防御機能を効果的に発揮することが明らかになりました。本研究は、緑色植物が進化の過程において光合成の「効率」だけでなく、「安全性（リスク回避）」も同時に考慮した構造的選択を行ってきたことを示唆する重要な成果です。

本成果は2025年5月9日付で米国の国際学術誌「Science Advances」にオンライン掲載されました。