光合作用也有逆運(yùn)算

安彥箐

在中學(xué)生物課上，丹麥學(xué)生克勞斯·菲爾拜學(xué)習(xí)了光合作用。他突發(fā)奇想，既然能量守恒、物體三種狀態(tài)都可以相互轉(zhuǎn)化，那么光合作用一定也是可逆的。當(dāng)他把自己的想法告訴老師和同學(xué)們時(shí)，遭到了大家的嘲笑。但克勞斯沒有因?yàn)閯e人的不認(rèn)可而放棄自己的想法，他開始著手研究各種植物的葉子。顯微鏡、解剖剪、鑷子、酒精燈、錐形瓶、各類生物學(xué)書籍……成了他最密切的伙伴。

隨著對(duì)植物葉綠體和光合作用機(jī)理的深入研究，克勞斯·菲爾拜打開了一扇神奇的門，走進(jìn)了綠葉的微觀世界。他發(fā)現(xiàn)自然界真的比人類智能得多。比如長(zhǎng)有綠色葉子的植物能夠捕獲太陽的能量，并將其轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)燃料，這一過程遠(yuǎn)比人類發(fā)明的光電太陽能電池板要高明、高效得多。

盡管光合作用在各種教科書中都有詳盡的闡述，但是想人工實(shí)現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要問題在于缺少有效電解水的媒介。綠葉植物能實(shí)現(xiàn)這一化學(xué)反應(yīng)，是因?yàn)樗袀ゴ蟮拿浇椤~綠體。

目前，許多科學(xué)家在嘗試人造光合作用，但成果并不樂觀，因?yàn)槿斯す夂献饔妹媾R著三大難題：如何捕捉太陽能；如何以電子的形式將太陽能轉(zhuǎn)運(yùn)到反應(yīng)中心；如何在光合作用的循環(huán)過程中補(bǔ)充電子。其中，前兩個(gè)難題已經(jīng)基本得到了解決，但第三個(gè)難題至今無解。

成為哥本哈根大學(xué)教授的克勞斯·菲爾拜一直沒有放棄這項(xiàng)研究。經(jīng)過多年的探索，他更深入地了解到光合作用的神奇之處，發(fā)現(xiàn)了逆向光合作用的真實(shí)存在，只是苦于一直找不到分解生物量、創(chuàng)造化學(xué)物質(zhì)和能量的催化劑。

光解反應(yīng)對(duì)催化劑要求極為苛刻，在經(jīng)過無數(shù)次試驗(yàn)后，2016年4月，克勞斯發(fā)現(xiàn)一種叫做單氧酶的天然酶，能促使太陽能分解植物生物量，產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)和能量。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證后，他成功實(shí)現(xiàn)了植物中的酶利用大氣中的氧氣和陽光分解和轉(zhuǎn)化碳鍵，這個(gè)過程和一般光合作用中產(chǎn)生可以促進(jìn)生長(zhǎng)的能量和釋放氧氣的過程正好相反——這正是光合作用的逆向反應(yīng)！克勞斯·菲爾拜在中學(xué)時(shí)曾被大家嘲笑異想天開的怪想法，竟在眼皮底下真實(shí)地發(fā)生著！

根據(jù)克勞斯·菲爾拜研究團(tuán)隊(duì)成員艾麗莎·納瓦羅的介紹，這個(gè)過程在陽光下只需要5到10分鐘。如果沒有陽光，則需要24小時(shí)才能完成同樣的能量轉(zhuǎn)換。也就是說，利用太陽能可以直接分解植物，并轉(zhuǎn)化成人類生存所需的能源。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)生物燃料、塑料和其他工業(yè)產(chǎn)品的制造方式都產(chǎn)生了重大影響。通過逆向光合作用，工廠可以加快生產(chǎn)速度，同時(shí)降低污染排放——如果我們想繼續(xù)生活在科技不斷發(fā)展的地球上，做到這一點(diǎn)意味著人類將開創(chuàng)新紀(jì)元，對(duì)環(huán)境保護(hù)、科技發(fā)展都將是巨大的貢獻(xiàn)。

雖然這項(xiàng)發(fā)明讓我們對(duì)環(huán)境保護(hù)和科技進(jìn)步重拾信心，但是研究者們?nèi)匀灰度氪罅抗ぷ鳎拍茏屗?wù)于我們的日常生活。如果今后地球不再有環(huán)境問題，能源問題不再威脅人類的生存，或許你會(huì)想起那個(gè)中學(xué)時(shí)代異想天開，并且一輩子都在堅(jiān)持研究光合作用的老教授吧！