人类的光合利用之旅

光能作为一种清洁能源，一直都是全球科学家研究的重点对象。如果能够将这份能量转化为稳定可用的能量形态，并且拥有较高的能量转化率，人类文明将进入一个崭新的时代。但是，想要实现高转化率的光能转换并不是一件容易的事，就连目前最成功的光能利用技术——光伏发电还都存在着不少难以被克服的问题，比如不能连续工作以及需要长距离电力传输等缺点。因此，科学家们将目光从人工的光伏发电转移到了自然界中。

如果能够在自然界中找到一种能够吸收光能并将之转化储存的办法，利用人类的智慧对其加以设计，实现“能源自由”指日可待，植物便是这一思路中的其中一个研究对象。植物体内存在着一种特殊的能量利用方式——光合作用。它是一种自然发生在植物体内的反应，能够自行利用无机物将光能转化为体内的化学能进行储存。通过光合作用，植物能够利用光能、水和CO2来合成自己体内的有机物，同时释放氧气。

但是，自然界中的天然光合作用也并非完美无缺。首先，能够被植物利用的只有波长在400～700nm的可见光，也就是我们熟知的彩虹光带。这也意味着，一些肉眼不可见的光会被浪费掉，比如验钞机中的紫外线和红外探测器中的红外光等。

同时，植物对绿光的低吸收率、自身的光保护机制和低下的光能传递效率等因素都影响了光合作用的效率。因此，天然光合作用中光能到化学能转换效率通常低于1%，哪怕是在最优的条件也仅能达到7%左右。尽管悉尼大学Chen Min团队和宾夕法尼亚州立大学Roberta Croce团队先后发现能够利用部分红外光的叶绿素，也有科学家试图通过遗传改造获得能进行高效率光合作用的光合植物，但受限于天然光合系统的固有特性，天然光合作用的效率仍很难进一步提升。同时，通过人工干预改造光合生物（如遗传改造、设计转化酶等）也有遗传改造周期长、对原生物造成较大负担等弊端，实际应用价值有所欠缺。

既然天然光合作用不能较好地满足科学家的预期，不如通过仿生设计去模拟天然光合作用的人工光合作用。这个设想由科学家Ciamician在1912年提出，他通过模拟天然光合作用，利用半导体材料作为光催化剂捕获光能，通过发生电荷分离，产生电子和空穴对来驱动光还原反应：还原CO2，合成H2和固氮反应。最终取得了不错的效果。在科学家的优化和调整下，目前人工光合作用已经具有超过20%的光电转换效率和简单、可控、易规模化优化等特点。但较高的造价、原材料的不稳定以及低利用价值的混合产物依然阻挡着大规模的人工光合作用的实现。

为解决人工光合作用的弊端，全球的科学家们探索了一种半人工的光合作用。目前科学前沿的研究方向有两个。其一是基于生物光吸收剂的杂化体。这种杂化体通过将植物体内进行光合作用的重要物质分离提纯，如从光合生物体中分离出能够捕获光能的PSⅠ和能够催化水氧化的PSⅡ这两个光系统，并将之与特殊材料或电极复合，从而实现将光能转化为化学能并储存起来的目的。这种由生物质为材料提供电子的方法便是基于生物光吸收剂的杂化体。目前在科学界中，基于PSⅠ和PSⅡ所构建的杂化体已成功在光的驱动下实现全水分解，生产出H2和甲酸用以后续的光合作用。但是，这种分离光系统的方法不仅过程烦琐，而且缺少稳定性，因此更适合用来研究生物—材料界面电子传递机制。

而第二种改进方法——基于材料光吸收剂的杂化体与第一种有异曲同工之妙，只不过它们并不是从植物身上直接获得物质进行复合，而是通过寻找其他能够吸收光能的其他材料，如分子染料、半导体、光响应电极等来模拟生物光吸收剂，将他们与酶或微生物放到一起并构建杂化体，由材料提供电子给生物质进行反应，最终提高杂化体的性能。目前大致分为材料—酶杂化体和材料—微生物杂化体两个方向。前者通过材料吸收光能直接或间接为相关的酶提供所需的高能电子，人为增加催化材料来促进酶的工作，方法简单的同时能够增加酶转化光能的效率；后者则是将产生的高能电子直接供给微生物细胞。这样的方式能够充分地利用微生物细胞内代谢系统和生物体内各种酶之间的关联性的整体性，产生更多复杂产物。这也是目前国内外许多实验室团队的研究方向。

虽然在现在的科学界中，杂化体的光驱生物催化仍然处于初具雏形的阶段，但是随着更多新材料不断被人类发现与合成，人工光合作用的杂化体系将会不断完善，未来人工光合作用一定能够投入规模化使用，为解决能源问题作出巨大贡献。

邬皓宇（2003—），男，汉族

单 " "位：重庆大学航空航天学院

研究方向：力学、科普教育和创新思维方法

王灿（2003—），男，汉族

单 " "位：重庆大学材料科学与工程学院

研究方向：材料创新设计及科普教育

张育新（1978—），男，汉族

单 " "位：重庆大学

职务职称：重庆大学研究生院副院长，教授

研究方向：硅藻新材料的制备与应用