助推火星移民計劃，“人工光合作用”系統進入二點零版

楊大可

如果人類在未來進行“星際移民”，那么火星毫無疑問將是第一目標。硅谷“鋼鐵俠”埃隆，馬斯克就一直有著“殖民火星”的目標，并計劃在火星上建立一座可自我維持的城市。

? ? “人工光合作用系統2.0版”：從空氣中捕獲二氧化碳并將其轉化為實用的有機物的裝置;左側是裝有微生物與納米線內結合系統的空間，這里會將二氧化碳轉化為乙酸鹽，右側則是產生氧氣的空間

但人類生活所需的各種物資，從氧氣、燃料到食品、藥物，全部依靠火箭從地球運輸并不現實;即便SpaceX的火箭運載能力在不斷提高。不過，加州大學伯克利分校的楊培東教授有一項更為長遠又簡單易行的計劃，或將幫助“火星移民計劃”早日實現。

在過去近10年的時間里，楊培東實驗室的科研人員一直在研究一個將微生物與非生物材料相結合的“循環系統”。該系統可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分——這也被人們稱之為“人工光合作用”。在2015年，楊培東實驗室成功研發出第一代“人工光合作用”系統，而就在近日，他們推出了更為優秀的“2.0版本”。

根據楊培東的介紹，該系統中硅納米線在本質上類似天線——它們像太陽能電池板一樣捕獲太陽光子。隨后這些硅納米線會產生電子，并將其提供給附著的微生物。最后，微生物吸收二氧化碳，進行化學反應，并產出乙酸鹽。關于該研究的論文發表在3月31日的《Joule》雜志上，楊培東的“人工光合作用系統2.o版”創造了一個新的轉化效率紀錄：在長達一周的時間里，實現高達3.6%的吸收太陽能轉化效率，完成由太陽能到化學能的轉換，并最終以乙酸鹽的形式儲存起來。此外，還能產生出氧氣。

媒體專門采訪了楊培東教授，以進一步了解該研究背后的故事，以及他的未來計劃等。

如大自然一般的“動態循環系統”

“火星大氣的96%都是二氧化碳。”楊培東說：“而我們的系統通過硅半導體納米線來吸收太陽能，并將其傳遞給納米線上的微生物來進行化學反應。”

對于太空任務來說，人們需要考慮有效載荷的重量問題，而生物系統的優勢則在于“它們可以自我復制”。這樣人們就不必依靠火箭來發射更多的東西，因此這也正是該“生物/非生物結合系統”吸引人的優勢所在。即便不考慮星際移民，它在地球上也可以幫助解決能源短缺及二氧化碳排放導致的全球變暖等問題。

“除了陽光之外，我們的人工光合作用系統只需要另一種物質——水。”楊培東說：“而火星上的極地冰蓋相對豐富，星球上大部分地區的地下都很可能凍結著大量的水。”同樣，我們的地球也有70%以上是被海水所覆蓋的。

他實驗室設計的“人工光合作用”系統將硅半導體納米線與可以利用自身酶將二氧化碳轉化成特定多碳產物的微生物相結合，從而實現從太陽能到化學能的轉變過程。在2015年該系統首次問世時，便引起了廣泛關注。但在那時，其轉化效率相對較低，只有0.4%。

“第一代主要是從概念上證明了我們的設計是可行的?！睏钆鄸|表示。隨后在過去的近5年時間里，他們不斷地對其優化，直到提高到了如今的3.6%-而這已接近自然界中將二氧化碳轉化為糖等物質的“冠軍”甘蔗的轉化效率，4%—5%?！拔覀優榇嘶ㄙM了很多心思，大概經歷了三四波研究生?！?p>

? ? 微生物—納米線結合系統的掃描電鏡圖像：在最佳的pH值環境下，微生物會緊緊地包裹住納米線;這種緊密堆積會使太陽能更為有效地轉化為碳鍵

因為微生物會有存活時間的問題，對此楊培東解釋了該系統的穩定性和持續性，他說：“微生物的自我復制能力很強，也很頻繁。作為轉換的催化劑，用一段時間后就會死掉一批，但之后第二批又會生成了。它會有一個自我再生的過程，所以該系統的持久性是沒有問題的?！?/p>

此外，他還表示：實驗室所做的內容都是將其當作一個“靜態”的系統來進行各種研發與測試，但實際上，其最終的應用形態會是像大自然中的植物一樣，周而復始地形成一個“動態循環”。

作為“人工光合作用”系統的2.0版，楊培東的實驗室主要針對微生物與納米線電極之間的界面進行了研究和優化。研究人員最初嘗試在納米線上填充更多的微生物來提高效率，而當電子通過納米線直接轉移給微生物以進行化學反應時，微生物會從納米線上脫落，從而破壞了電路。經過反復實驗，他們發現這些微生物在產生乙酸的過程中降低了周圍水的酸度，因此導致了它們與納米線分離。

楊培東和他的學生們最終找到一種方法，可以控制環境中水的酸度，從而抵消了持續產生乙酸帶來的pH值上升的影響。這讓他們可以將數量更多的微生物投入到納米線之中，把轉換效率提高了近10倍。在不后續補充微生物的情況下，該系統可以穩定高效地進行一周的二氧化碳還原反應。

在太陽光持續照射下，“人工光合作用系統2.o版”在一周內平均的“太陽能轉乙酸”的能量轉化效率達到了3.6%;同時，這一周中每天的乙酸產量也可以達到44.3g/m2（或o.3g/L）。此外，他們用同位素標記法確認了碳元素的反應軌跡，并用黑暗對照實驗證明：光能是二氧化碳轉化的唯一能量來源。而生成的乙酸鹽分子可以作為一系列有機分子的組成部分，包括燃料、塑料和藥物等。同時，許多其他有機產品也可以由轉基因生物體內的乙酸鹽制成，比如細菌或酵母。此外，楊培東的實驗室也正在研究利用太陽能和二氧化碳來生產糖與碳水化合物的系統，這可能將進一步解決星際移民的食物問題。