人類的光合利用之旅

光能作為一種清潔能源，一直都是全球科學家研究的重點對象。如果能夠將這份能量轉化為穩(wěn)定可用的能量形態(tài)，并且擁有較高的能量轉化率，人類文明將進入一個嶄新的時代。但是，想要實現高轉化率的光能轉換并不是一件容易的事，就連目前最成功的光能利用技術——光伏發(fā)電還都存在著不少難以被克服的問題，比如不能連續(xù)工作以及需要長距離電力傳輸等缺點。因此，科學家們將目光從人工的光伏發(fā)電轉移到了自然界中。

如果能夠在自然界中找到一種能夠吸收光能并將之轉化儲存的辦法，利用人類的智慧對其加以設計，實現“能源自由”指日可待，植物便是這一思路中的其中一個研究對象。植物體內存在著一種特殊的能量利用方式——光合作用。它是一種自然發(fā)生在植物體內的反應，能夠自行利用無機物將光能轉化為體內的化學能進行儲存。通過光合作用，植物能夠利用光能、水和CO2來合成自己體內的有機物，同時釋放氧氣。

但是，自然界中的天然光合作用也并非完美無缺。首先，能夠被植物利用的只有波長在400～700nm的可見光，也就是我們熟知的彩虹光帶。這也意味著，一些肉眼不可見的光會被浪費掉，比如驗鈔機中的紫外線和紅外探測器中的紅外光等。

同時，植物對綠光的低吸收率、自身的光保護機制和低下的光能傳遞效率等因素都影響了光合作用的效率。因此，天然光合作用中光能到化學能轉換效率通常低于1%，哪怕是在最優(yōu)的條件也僅能達到7%左右。盡管悉尼大學Chen Min團隊和賓夕法尼亞州立大學Roberta Croce團隊先后發(fā)現能夠利用部分紅外光的葉綠素，也有科學家試圖通過遺傳改造獲得能進行高效率光合作用的光合植物，但受限于天然光合系統的固有特性，天然光合作用的效率仍很難進一步提升。同時，通過人工干預改造光合生物（如遺傳改造、設計轉化酶等）也有遺傳改造周期長、對原生物造成較大負擔等弊端，實際應用價值有所欠缺。

既然天然光合作用不能較好地滿足科學家的預期，不如通過仿生設計去模擬天然光合作用的人工光合作用。這個設想由科學家Ciamician在1912年提出，他通過模擬天然光合作用，利用半導體材料作為光催化劑捕獲光能，通過發(fā)生電荷分離，產生電子和空穴對來驅動光還原反應：還原CO2，合成H2和固氮反應。最終取得了不錯的效果。在科學家的優(yōu)化和調整下，目前人工光合作用已經具有超過20%的光電轉換效率和簡單、可控、易規(guī)模化優(yōu)化等特點。但較高的造價、原材料的不穩(wěn)定以及低利用價值的混合產物依然阻擋著大規(guī)模的人工光合作用的實現。

為解決人工光合作用的弊端，全球的科學家們探索了一種半人工的光合作用。目前科學前沿的研究方向有兩個。其一是基于生物光吸收劑的雜化體。這種雜化體通過將植物體內進行光合作用的重要物質分離提純，如從光合生物體中分離出能夠捕獲光能的PSⅠ和能夠催化水氧化的PSⅡ這兩個光系統，并將之與特殊材料或電極復合，從而實現將光能轉化為化學能并儲存起來的目的。這種由生物質為材料提供電子的方法便是基于生物光吸收劑的雜化體。目前在科學界中，基于PSⅠ和PSⅡ所構建的雜化體已成功在光的驅動下實現全水分解，生產出H2和甲酸用以后續(xù)的光合作用。但是，這種分離光系統的方法不僅過程煩瑣，而且缺少穩(wěn)定性，因此更適合用來研究生物—材料界面電子傳遞機制。

而第二種改進方法——基于材料光吸收劑的雜化體與第一種有異曲同工之妙，只不過它們并不是從植物身上直接獲得物質進行復合，而是通過尋找其他能夠吸收光能的其他材料，如分子染料、半導體、光響應電極等來模擬生物光吸收劑，將他們與酶或微生物放到一起并構建雜化體，由材料提供電子給生物質進行反應，最終提高雜化體的性能。目前大致分為材料—酶雜化體和材料—微生物雜化體兩個方向。前者通過材料吸收光能直接或間接為相關的酶提供所需的高能電子，人為增加催化材料來促進酶的工作，方法簡單的同時能夠增加酶轉化光能的效率；后者則是將產生的高能電子直接供給微生物細胞。這樣的方式能夠充分地利用微生物細胞內代謝系統和生物體內各種酶之間的關聯性的整體性，產生更多復雜產物。這也是目前國內外許多實驗室團隊的研究方向。

雖然在現在的科學界中，雜化體的光驅生物催化仍然處于初具雛形的階段，但是隨著更多新材料不斷被人類發(fā)現與合成，人工光合作用的雜化體系將會不斷完善，未來人工光合作用一定能夠投入規(guī)模化使用，為解決能源問題作出巨大貢獻。

鄔皓宇（2003—），男，漢族

單 " "位：重慶大學航空航天學院

研究方向：力學、科普教育和創(chuàng)新思維方法

王燦（2003—），男，漢族

單 " "位：重慶大學材料科學與工程學院

研究方向：材料創(chuàng)新設計及科普教育

張育新（1978—），男，漢族

單 " "位：重慶大學

職務職稱：重慶大學研究生院副院長，教授

研究方向：硅藻新材料的制備與應用