微生物光營養的多樣性不僅體現了光合作用的演化歷史，也對理解生物能學、色素化學和光合機器的結構功能關係至關重要。
反應中心的演化
所有已知的光合反應中心（RC）可歸為兩型：
- Type I RC（含 [4Fe-4S] 簇末端電子受體）：PSI（PsaA/PsaB heterodimer）、綠硫菌 RC（PscA homodimer）、光螺旋菌 RC（PshA homodimer）
- Type II RC（含 QA/QB 醌末端受體）：PSII（D1/D2 heterodimer）、紫細菌 RC（L/M heterodimer）
兩型 RC 具有相同的整體拓撲（5 跨膜螺旋/亞基），強烈暗示源自共同祖先。「融合假說」（fusion hypothesis）認為產氧光合生物的祖先透過側向基因轉移獲得了兩種 RC，並串聯形成 Z-scheme。
紫細菌 RC（Rhodopseudomonas viridis）是第一個解出高解析度結構的膜蛋白（Deisenhofer et al., 1985, Nobel Prize 1988）。PSII 的 Mn₄CaO₅ OEC 結構由 Umena et al.（2011）以 1.9 Å 解析度解出。水氧化的 Kok cycle（S₀-S₄ 態循環）在 S₄ 態同時釋放 O₂ 和 4H⁺。
捕光天線系統的多樣性
- 藻膽體（Phycobilisome）：藍綠菌和紅藻的胞外捕光天線。由 core（APC）→ rod（PC → PE）的分級結構組成，能量傳遞效率 >95%。色素分子的光譜覆蓋藍-綠-橙-紅光，補充葉綠素 a 不吸收的波段。
- LH1/LH2 環：紫細菌的捕光天線。LH2 為環狀九聚體（或八聚體），含 B800 和 B850 BChl a 分子；LH1 環狀排列包圍 RC，含 B875 BChl a。能量傳遞：LH2(B800→B850) → LH1(B875) → RC(P870)，整體效率 >95%。Rps. palustris LH1-RC 和 Rba. sphaeroides LH2 的 cryo-EM 結構揭示了精確的色素排列與激子耦合。
- 綠體（Chlorosome）：綠硫菌（Chlorobiales）的超大捕光天線，含 ~200,000 BChl c/d/e 分子自組裝（非蛋白質支架）形成管狀聚集體。這是自然界最高效的捕光系統——綠硫菌可在極低光照下生長（甚至在 2400m 深的黑海用地熱輻射進行光合作用）。
視紫質光能利用
Bacteriorhodopsin（BR）是七跨膜 α-helix 蛋白，含 all-trans retinal 經 Schiff base 連接 Lys216。光異構化（13-cis）觸發質子泵循環：M412 intermediate 向胞外釋放 H⁺ → N intermediate 從胞質攝取 H⁺。Henderson & Unwin 的電子顯微鏡結構（1975）是第一個膜蛋白的結構。
Proteorhodopsin（PR）在海洋宏基因體中的普遍存在（Béjà et al., 2000）是環境基因體學的里程碑發現。SAR86、SAR11（Pelagibacter）和 Flavobacteriia 等海洋細菌廣泛持有 PR，在光照下補充 PMF 維持離子恆定和鞭毛運動——一種 photoheterotrophy 策略。PR 的吸收峰（525nm green-tuned vs 490nm blue-tuned）與海洋深度的光譜特性相關，顯示了強烈的環境適應。
近年發現的 heliorhodopsin（HeR）代表新型視紫質家族，質子傳遞方向和功能均不同，功能尚待完全闡明。