人造光合作用取得突破 人类将变"植物人"？

　　

特约撰稿　森堡
 

　植物通过光合作用获取能量，什么时候人类也能像植物那样，用清洁、简便、高效的办法从自然界获取能量呢？人们离这一期望越来越近了。据美国“每日科学”网站３月１２日报道，美国加州大学伯克利分校的科学家，在这一领域取得了重大突破，找到了可使光合反应顺利进行的特殊催化剂。在此基础上，科学家期望彻底弄清光合作用的奥秘，使人工光合作用能大规模用于生产和生活。

　　大自然怎样制造能量

　　人类工业文明出现不过几百年，煤炭、石油等化石能源就日渐枯竭，加上气候变暖和环境污染等，已严重威胁人们的生存。与之相比，大自然用其神奇的能量循环和分配系统，使整个生物圈几十亿年相安无事。无论从哪一方面讲，自然的方式都比人工的来得高明。

　　那么，自然的高明之处在哪里呢？

　　环境污染的根源是人类用燃烧化石燃料的方式维持能量供应，由此产生了废气、废水以及随之而来的温室效应、臭氧层破坏等。而大自然以绿色植物、海藻和蓝细菌等为依托，借助太阳光，利用光合作用，将二氧化碳和水转化成氧气和葡萄糖，完成了精妙无比的能量循环。那些化石燃料如煤、石油、天然气等，都是通过光合作用，以还原碳元素的形式固定下来的太阳能。但目前要利用这些化石燃料的能量，必须要付出环境污染的巨大代价。光合作用的能量来源虽然也是太阳能，但其反应物水和二氧化碳都直接取自自然，不会产生污染物。

　　如果请一位生物学家和一位可再生能源的研究人员，分别列出世界上最重要的化学反应，有一个反应毫无疑问会列在其中，即由光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子的反应，这是光合作用的核心。生物学家认为，这一反应向地球上所有复杂的生命提供能量和氧气，使生命得以延续。可再生能源研究者则认为，它也许正是解决世界能源问题的关键。人类揭开了光合作用的这一关键过程后，便一直尝试摆脱植物载体，在实验室中通过光裂解水分子，产生可以燃烧的氢气。

　　光合作用水裂解反应（以下简称“光解反应”）的出现，为多细胞生命的生存创造了条件。现在，２５亿年过去了，人类正在运用自己的聪明才智努力重复大自然的巧夺天工。这一反应过程十分精妙，至今科学家都未完全弄清。根据电化学理论，拆开水分子需要的能量足以摧毁任何生物分子。然而，植物每天都在进行这一反应，却没有对自身产生不良影响。科学家只有解开这个谜团，才能在实验室中完成人工光合作用。

找到神奇的催化物

　　研究人员已发现，特殊的蛋白质“光合体系Ⅱ”作为催化剂载体，起催化作用的是一种含锰的生化酶。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下，人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系Ⅱ”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正是找到了高效的催化剂——氧化钴纳米颗粒，实现了高转化率的光解反应，相关论文已发表在德国《应用化学》期刊上。

　　这个系列实验是在加州大学劳伦斯伯克利国家实验室“太阳神”太阳能研究中心完成的，该研究中心由华裔科学家、诺贝尔奖获得者朱棣文创立。他也是劳伦斯伯克利实验室的主任。主要参加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士后、旅美华人学者焦锋（音）。弗雷介绍说，光解反应对催化剂要求极为苛刻，在经过无数次实验后，他们发现氧化钴纳米晶体既高效又快速，反应持久，也容易得到，正好能满足要求。

　　最开始，他们用毫米级的氧化钴颗粒做实验，效果不理想。后来改用纳米级的氧化钴颗粒，欣喜地发现反应速度大大提高。弗雷表示，使用氧化钴纳米“团簇”（多个纳米束组成的团状结构）做催化剂的反应速度是毫米团簇的１６００倍，每个团簇每秒约能裂解１１４０个水分子，反应功率（指每秒吸收的能量）与地面附近的太阳辐射能相当，约为每平方米１０００瓦。

现代人何时变成“植物人”

　　虽然找到了理想的催化剂，但研究人员表示，这可能是偶然之中的意外收获，还有很多问题有待解决，解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。

　　研究人员使用较普遍的介孔矽（中间有孔洞的二氧化硅晶体）作为氧化钴载体，通过一种“湿性注入”的技术将纳米束植入其中。最理想的情况是直径约为８纳米、长５０纳米的团簇，团簇中的纳米管互相连接，弯曲成直径约３５纳米的球体。但当使用其他形状的纳米团簇时，催化效率就又大大降低。弗雷猜测说，纳米团簇的形状可能对催化反应起决定作用。目前，弗雷与焦锋正在进行进一步实验，试图探明其中的机理。

　　弗雷与焦锋的研究成果无疑给人工光合作用打了一针强心剂。因为在这之前，主要研究重点放在催化反应过程上，高效催化剂一直未能找到。弗雷表示，无论从催化剂的易得性、纳米团簇的稳定性、反应中所加的电压，还是酸碱度、温度方面来说，氧化钴的催化效率已同“光合体系Ⅱ”相当。研究人员的下一个任务是，建立一个切实可行的太阳能能量转换系统，将反应产生的氢气以无污染的方式转化成能量。

　　尽管取得了重大进展，但研究人员并不认为绿色能源近在眼前。“每日科学”的文章分析说，目前人工光合作用面临着三大难题：如何捕捉太阳能；如何以电子的形式将太阳能转运到反应中心；如何在光合作用的循环过程中补充电子。其中前两个难题已经基本得到了解决，但至今还不知道如何解决第三个难题。要解决这个问题最好的办法就是，彻底弄清光合作用的反应机理。

　　光合作用的基本过程是在叶绿体内进行的。叶绿体吸收光子，并传导给叶绿素，使它释放出高能电子，用于将二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失１个电子，催化核心就会从水分子中抽取１个电子为其补充。这样，经过４轮电子转移，两个水分子转化为１个氧气分子、４个电子和４个氢离子，然后重新开始新一轮的循环。但在人工过程中很难实现电子补充，研究人员希望，在循环过程中将这一难题尽快攻破，到时人类就能像植物一样，将太阳光转化为可以利用的能量。