光保護

光保護（photoprotection）是指生物體應對由太陽光引起的分子損傷的生化過程。植物以及其他產氧光合生物已經發展出一套光保護機制，用以防止因過量，或是波動的光照條件所引起的光抑制與氧化壓力。人類和其他動物也發展出光保護機制，藉此避免紫外線對皮膚造成的光損傷，進而預防DNA損傷，並將氧化壓力的後續影響降至最低。

## 光合生物中的光保護機制

在進行產氧光合作用的生物體中，過量的光照會導致光抑制，也就是光合作用中心的失活，這一過程並不一定涉及化學損傷。當葉綠素等捕光複合物色素因吸收光線而受到激發時，可能會透過電荷轉移至帶有未配對電子的分子，而發生無益的副反應。由於產氧光合生物在光催化水（H2O）裂解的過程中會產生氧氣（O2）作為副產物，因此光合生物具有形成活性氧的特定風險。

光合生物因而發展出一套多樣化的機制，用以緩解這些潛在的威脅。這些威脅在高輻照度、波動光照條件、寒冷或乾旱等不利環境條件，以及經歷導致能量庫與能量源之間失衡的營養缺乏時會進一步加劇。

在真核光合生物中，這些機制包括非光化學淬滅機制（例如葉黃素類循環）、充當"安全閥"的生化途徑、光合裝置中複合物的結構重組，以及抗氧化分子的使用。高等植物有時會採用改變葉軸方向等策略，藉此將照射到表面的入射光降至最低。某些機制也可能在更長的時間尺度上發揮作用，例如壓力反應蛋白的上調或色素生物合成的下調，這些過程更適合被歸類為"光馴化"過程。

藍綠藻擁有一些獨特的光保護策略，這些策略在植物或藻類中尚未發現。例如，大多數藍綠菌都擁有一種橙色類胡蘿蔔素蛋白（OCP），它充當一種新型的非光化學淬滅形式。另一種獨特，但目前尚未被充分了解的藍綠藻策略涉及鐵飢餓誘導蛋白（AIsiA）葉綠素結合蛋白，這種蛋白可與類胡蘿蔔素聚集，並在光系統I反應中心複合物周圍形成環，而有助於光保護性的能量耗散。其他一些藍綠藻的策略可能涉及藻膽蛋白捕光複合物的狀態轉變，利用黃素鐵蛋白（Flavodiiron protein）進行水的光還原，以及二氧化碳（CO2）的無效循環。

## 植物中的光保護

植物需要光線才能生存、生長和繁衍已廣為人知。人們通常認為更多的光照總是益處多多，然而過量的光照實際上對某些植物是有害的。植物也需要特定光照強度和波長的平衡才能達到最佳生長（因植物而異），正如動物需要精細的資源平衡一樣。當環境條件理想時，優化光合作用過程對於生存非常重要，而當環境條件嚴酷時，對其進行調整適應同樣不可或缺。當暴露在高光照強度下時，植物會做出反應，以此減輕過量光照帶來的負面影響。

植物能精妙地獲取足夠的太陽光，同時防止其可能造成的損傷。雖然葉綠素在吸收光合作用可見光方面非常高效，但在充足的陽光下，沒有任何光合生物能夠利用所有的這類能量。此外，環境中的壓力（例如冬夏兩季的極端溫度、高鹽度以及低水分或是低營養）也會降低光合作用的效率。

植物的光保護主要有三個層次。第一是光線的反射或屏蔽，這在壓力條件下涉及葉片衰老。第二是將光能轉化為熱能。將光能轉化為熱能是個有效的方法，其時間跨度可從幾秒鐘到數個季節不等，且僅在光照過量的情況下才會啟動，藉此讓用於光合作用的吸收光量達到最大化。同樣地，太陽輻射中的紅外線在加熱植物細胞內的水分後，會直接以熱能的形式釋放，因此除非遇到極端高溫或植物無法進行蒸發冷卻，否則紅外線並不會對植物構成危害。因此，對植物葉片最主要（具破壞性）的威脅，其實是來自於可見光。第三，也是最重要的一點，是清除因光照過多而產生的毒性自由基。如果光線沒有被引導至光化學反應中，它可能會在葉綠素或電子傳遞鏈中留下過剩的能量，而會導致活性氧產生，進而破壞DNA、蛋白質和細胞膜中的脂質等分子，甚至導致細胞死亡。當此類影響存在環境壓力因素時，會更加嚴重。活性氧在與其他分子發生反應之前，會被抗氧化酶和代謝物（例如維生素C和維生素E）清除。雖然這種抗氧化機制普遍存在於植物中，但它最常在光照瞬間突變、導致熱能耗散來不及處理的暫時性狀態下發揮作用。然而，一旦抗氧化酶因冬季低溫等環境壓力而受到抑制，植物清除活性氧的能力也會隨之受阻。此時，植物就必須改由產生熱量來耗散過剩的光能。反過來，當光照適量時則不會啟動排熱，以免干擾正常的光合作用。這兩種防禦過程彼此緊密配合，得到精妙的協調。

植物演化出多種機制來減少過剩光線的危害，以達最佳保護效果。首先，植物會利用多種感光細胞來偵測光照的強度、方向與持續時間。一旦感應到光照過量，某些感光細胞便會驅使細胞內的葉綠體移動，遠離光源處，以此減輕強光造成的傷害。同樣地，葉片本身也能透過改變生長方向或角度，在光照最強烈時減少光能的吸收。

其次，植物能合成對光保護非常重要的酶，例如花青素合酶。缺乏這類防禦酶的植物，對光損傷的敏感度會遠高於正常植物。此外，植物還能產生多種有助於生存並防禦強光的次級代謝產物。這些具備保護功能的植物成分，也經常被應用於人類的防曬霜與藥物中，用以彌補人類皮膚天生光保護能力的不足。

最後，植物也會利用各種色素與化合物來防禦紫外線，這些成分通常分佈在角質層、上皮組織以及葉片外表面的絨毛中。由於光合作用並不需紫外線，而紫外線又會破壞DNA和蛋白質，因此這道防線對植物的生存非常重要。

類胡蘿蔔素在此機制中扮演核心角色。該循環由一組稱為葉黃素的類胡蘿蔔素組成，它們會在不同的光照強度或壓力條件下進行相互轉換。在低光照下，光合作用效率會隨光照增長成正比上升，直到飽和點。一旦光照超越飽和點或環境壓力增加，葉黃素便開始轉化，由紫黃質（Violaxanthin）經環氧玉米黃素（anteraxanthin）最終轉變為玉米黃質。當光照減弱或壓力解除時，這項轉換流程則會逆向進行。

光飽和還會引發葉綠素色素床（pigment bed）中的一種蛋白質發生構型扭轉。這種扭轉被認為能將玉米黃質分子帶到緊鄰葉綠素的位置，而協助安全地耗散熱量。過去學界認為熱耗散是能量直接從葉綠素傳遞給玉米黃質，但現在發現兩者之間可能存在著快速的電子交換來加速熱能耗散。隨著光照越發過量，玉米黃質的濃度與熱耗散量也會隨之成正比增加。在日常週期中，玉米黃質與環氧玉米黃素的含量從黎明到中午逐漸累積，並在接近黃昏時減少。

擁有較強熱耗散能力（即含有較多耗散色素）的植物，其光合作用的能源利用效率相對較低，因為用於光合作用的總吸收光量減少。若光照條件劇烈起伏，光保護機制也會相應調整 - 在強光下迅速提高熱耗散，在弱光下則快速切換回高效的光合作用，相關色素也會同步快速參與或退出反應。

這類調節措施也能延伸到更長的時間維度，例如數天甚至數個季節。舉例來說，與陰生葉片相比，向陽葉片更擅長耗散熱量，且體內擁有更豐富的葉黃素循環類胡蘿蔔素。此外，冬季的低溫會抑制光合作用（在針葉樹等植物中，有時還伴隨有內部生理調控），此時玉米黃質向紫黃質的逆向轉化會受到阻礙。此狀態下的玉米黃質可能會在特定蛋白質的協助下被固定住，而提供全天候的持續光保護。此時，高濃度的玉米黃質與環氧玉米黃素會維持整夜，使光合效率降至極低。

一些二年生與一年生植物（如冬小麥或冬季活躍的草本雜草）能在冬季維持高度的光合作用，並在間歇性的溫暖晴天持續生長。然而，許多常綠植物為防止受激電子將過剩能量轉移給氧氣，會分解幾種主要的光合蛋白質，藉此在冬季停止生長與光合作用。同時，玉米黃質也承擔相同的職責，能阻斷過剩能量從葉綠素轉移至氧氣。這些機制共同消除冬季壓力下吸收光線所帶來的潛在危險。待春季來臨，光合作用便能全面恢復。

色素沉著是多種植物用作光保護的一種方法。例如在南極洲，可發現綠色的本土苔蘚植物自然地被岩石或其他物理屏障遮擋，而同一物種的紅色苔蘚則很可能出現在暴露於風和陽光的位置。這種顏色上的差異是由於光照強度所造成。苔蘚中的光受體，即光敏素（紅色波長）和向光素（藍色波長），有助於調節色素沉著。為更好地了解這一現象，研究人員Waterman等人進行一項實驗，用以分析南極苔蘚植物中UVACs（UV-absorbing compounds - 紫外（線）吸收化合物）和紅色色素沉著的光保護特性。從西南極洲的一個島嶼地區採集角齒蘚（Ceratodon purpureus）、真蘚（Bryum pseudotriquetrum）和南極裂齒蘚（Schistidium antarctici）等物種的苔蘚標本。然後在恆定的光照和水份條件下的實驗室環境中種植並觀察所有標本，進而評估光合作用、UVAC和色素的產生。紅色和綠色品種的苔蘚配子體接受為期兩週的光照和持續澆水。在生長觀察之後從苔蘚標本中提取細胞壁色素。這些萃取物皆透過紫外-可見分光光度法進行檢測，此法利用紫外線與可見光譜的光線，來繪製出描繪光線吸收特性的光譜圖。UVACs通常存在於細胞的細胞質中，然而，當暴露在高強度光照下時，UVACs會被運輸到細胞壁中。結果發現在細胞壁而非細胞內含有更高濃度紅色色素和UVACs的苔蘚在高強度光照下表現更好。苔蘚的顏色變化被發現並不是由於細胞內的葉綠體移動所造成。研究發現UVACs和紅色色素在南極苔蘚中發揮長期光保護的作用。因此，因應高強度光照壓力，UVACs和紅色色素的產生會被上調。

既然已知植物能針對不同強度與波長的光線做出相應反應，深入探討這些反應的背後機制便顯得格外迫切。近年來全球氣溫持續攀升，導致許多植物更容易遭受光損傷。事實上，土壤養分豐枯、環境溫度波動以及水分供應等多重因素，都會干擾植物的光保護運作。研究更指出，當植物同時面臨強光照射與水分短缺時，其光保護反應會受到顯著抑制。學界對此尚未完全全盤掌握，但光保護無疑是維持植物生存的核心功能。

## 人類中的光保護

人類皮膚的光保護機制，主要是透過DNA、蛋白質和黑色素極其高效的內轉換 來實現。內轉換屬於一種光化學過程，能將危險的紫外線光子能量轉化為微量且無害的熱能。若這股能量未能及時經由內轉換排出，便會催生出自由基或其他具破壞性的活性化學物質（例如單線態氧或羥自由基）。在DNA之中，這項光保護機制早在40億年前生命誕生之初便已演化出來。這道極其高效的內轉換防線，能同時阻斷直接與間接的DNA損傷。藉由超快的內轉換過程，受激DNA的激發態壽命被縮短至僅僅幾飛秒（10−15s），使受激發的DNA根本來不及與周遭的其他分子發生反應。而在生物演化的後期，則發展出另一種高效的光保護物質 - 黑色素。黑色素能將99.9%以上所吸收的紫外線輻射轉化為熱能耗散.表示只有不到0.1%的受激發黑色素分子，有機會發生有害的化學反應或是催生自由基。

## 合成黑色素細胞刺激素

在歐盟和美國，阿美諾肽被指定用於預防患有紅血球生成性原紫質症成年患者的光毒性。目前，阿美諾肽也被作為一種光保護療法，投入治療多形性日光疹、光化性角化病與鱗狀細胞癌（一種皮膚癌）的研究之中。

## 人工黑色素

化妝品界常宣稱紫外線吸收劑的效果等同於"人工黑色素"。然而，防曬霜所使用的這些人工合成物質，並無法高效地將紫外線光子能量轉化為熱能耗散。相反地，它們的激發態壽命極長。事實上，防曬霜成分也經常在化學反應中被當作光敏劑使用（參見二苯甲酮）。

羥苯甲酮、二氧化鈦和甲氧基肉桂酸辛酯是許多防曬霜中使用的光保護劑，可提供廣譜紫外線防護，包括中波紫外線（UVB）和短波長長波紫外線（UVA）射線。

紫外線吸收劑｜其他名稱｜將光子能量耗散的分子比例（量子產率：Φ）｜未能快速耗散能量的分子

DNA｜> 99.9%｜< 0.1%

天然黑色素｜> 99.9%｜< 0.1%

2-苯基苯並咪唑-5-磺酸｜PBSA, Eusolex 232, Parsol HS,

2-乙基己基 4-二甲氨基苯甲酸酯｜二甲氨苯酸辛酯（帕地馬酯O）, oxtyldimethyl PABA, OD-PABA｜0.1 = 10%｜90%

4-甲基亞苄基樟腦｜(4-MBC), (MBC), Parsol 5000, Eusolex 6300｜0.3 = 30%｜70%

4-叔丁基-4'-甲氧基二苯甲醯甲烷｜(BM-DBM), Avobenzone, 阿伏苯宗（Parsol 1789）, Eusolex 9020

鄰氨基苯甲酸薄荷酯｜(MA), Menthyl-2-aminobenzoate, meradimate｜0.6 = 60%｜40%

甲氧基肉桂酸乙基己酯｜(2-EHMC), (EHMC), EMC, Octyl methoxycinnamate, OMC, Eusolex 2292, Parsol｜0.81 = 81%｜19%