我們日常生活中的植物，多半是綠色的：有葉綠素、有光合作用能力、以太陽光為能源生存。但是，當天然環境中有可用的有機碳源時，光合作用就一定是最佳選擇嗎？
這種紅藻生活在美國黃石公園的酸性溫泉中，是由明尼蘇達大學的第一位女性教師Josephine Elizabeth Tilden於1894年發現的。後來，史丹佛大學的Mary Belle Allen在1952年開發了培養嗜熱微生物的方法，且在1959年成功將我們的主角培養出來。這隻紅藻喜歡很酸（pH 2.5-3.0）的環境，從攝氏28°C 到 90°C都能存活。
研究團隊發現，紅藻的這種變身並不是透過突然破壞或移除葉綠體來進行的，而是一個簡潔且結構明確的轉換程序！
當外界有可吸收的有機碳源（如：葡萄糖）時，不論有光或無光，紅藻便會開始下調與光合作用相關的基因表現與代謝活動，葉綠體中的色素（如藻紅素、藻藍素）和光合蛋白也會逐漸停止合成，加上細胞快速分裂也會稀釋原有的色素濃度，導致細胞原本的紅色色澤慢慢褪去（稱為褪綠，bleaching）。這些變化反映出紅藻在異營狀態下會加快細胞分裂，將能量和資源投入在加快生長速度上（趕快佔位子！）。
而當外部碳源消失時，紅藻就會再度啟用葉綠體中的光合作用機制，重新進入光合生活樣態。而且，研究團隊發現，當有機碳源消失，紅藻會試著重新切換回自營模式；這時候，如果沒有光照，紅藻也不會積極重建「光合作用套組」。
這種能自由切換生活樣態的系統，就像是調換能源的控制關。既然紅藻的生存哲學是「有現成的就不自己做」，於是研究團隊想知道：既然只要有外來的碳源就可以讓紅藻停止光合作用，那光合作用是不是很貴呢？
為了回答這個問題，研究團隊進行了一系列的分析；結果他們發現，這種紅藻 Galdieria 在光合自營狀態下，體內的氮、蛋白質與脂肪含量分別是異營時期的1.5 倍、1.3 倍以及1.7 倍。為什麼會差這麼多呢？
研究團隊認為，1.5 倍的氮含量是因為，光合作用需要大量含氮蛋白，如 Rubisco、光系統；而1.3 倍的蛋白質量，是為了保持光合作用各機組運作；至於1.7 倍的脂肪量是用來組裝類囊體膜所需的光合脂類，如 MGDG、DGDG、SQDG。
進一步觀察還發現，自營狀態下的葉綠體體積是異營時期的6 倍，葉綠體相關 RNA 的表現量更是提升了 5 倍以上。
簡單說，當紅藻要進行光合作用時，細胞內各部門因為需要更多蛋白質、脂肪、RNA、DNA，所以大家都得追加預算，並不是只有新增一組綠色光合作用機器而已。
那麼，既然光合作用這麼耗資源耗能量，為什麼植物在當年沒有乾脆就改走「直接吃現成」（異營或腐食）的路線，好比像動物那樣攝食，或像某些真菌一樣分解吸收有機物呢？
答案是：如果環境中有充足的有機碳源，當然可以選擇放棄光合作用。但是如果沒有呢？
在我們所知的陸地、遠海海洋中，有許多其他物資豐富但有機碳源稀少的地方。在這些地方，進行光合作用才是確保生存的唯一辦法。尤其是在「古早古早」的時候，當時水中光合生物並不多，而光是免費的，進行光合作用的生命形態潛力十足，有機會開闢新的生態區位。
總而言之，透過研究紅藻的生活形態切換，我們瞭解到地球上的生物有各種不同的生活方式，並不是所有會進行光合作用的生物都很「阿信」，即使有現成的可用也選擇不用的。
研究團隊發現，如紅藻這樣的生物的生活方式是：當碳源充足，光合作用就停止，把資源用於增加分裂和成長（快快佔位子！）。當碳源空空如也時，光合機制重新啟用，它就開始依靠光和 CO2 生存。
這個與百萬年後的陸生植物即使有根與葉，在同一個個體中也區分光合和異營組織的觀念，可能有著深遠的歷史上的傳承關係。
參考文獻：
Yamashita, S., Hirooka, S., Fujiwara, T. et al. Costs of photosynthesis and cellular remodeling in trophic transitions of the unicellular red alga Galdieria partita. Commun Biol 8, 891 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-025-08284-5
