能上太空的仿生葉子

葉蟲

眾所周知，能源問題一直是世界各國爭端的根源之一。為了爭奪能源，國家之間常常發(fā)生戰(zhàn)爭。

那么，新的科學(xué)發(fā)展能不能徹底扭轉(zhuǎn)能源短缺的局面，從而減少戰(zhàn)爭的威脅呢？

壞消息是，我們現(xiàn)在主要依靠的燃料依然是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這是不可再生資源。然而照現(xiàn)在人類持續(xù)增加的能源消耗量來看，化石燃料在將來的某一天必然枯竭。

好消息是，除了太陽能等新能源，近幾年科學(xué)家們憑著突破思維的想象力和不斷鉆研的科學(xué)精神，已經(jīng)研究出了一種二氧化碳排放量接近于零的新型可再生能源——仿生葉子。這是一種模仿植物光合作用，利用微生物和電流來產(chǎn)生燃料以及其他人類所需的化合物的仿生技術(shù)。

但是十年前，科學(xué)界根本沒人相信這樣的研究可以成功。那么，仿生葉子走過了怎樣的發(fā)展歷程，在未來到底能不能取代化石燃料以及其他稀有能源呢？

一百多年前的預(yù)言

首先，我們來看一個一百多年前的預(yù)言。

1912年9月27日，最早進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)研究的意大利科學(xué)家恰米奇安在第八次國際應(yīng)用化學(xué)會議上發(fā)表了他的預(yù)言：未來世界，將會用太陽光伏作為能源——在干旱地區(qū)將會涌現(xiàn)沒有煙囪的工廠；玻璃管的森林將在地平線上不斷延伸，玻璃建筑將無處不在；人類將模仿光合作用，為自己提供比大自然提供的更加豐富的合成食物。只要陽光普照，即使煤炭枯竭，人類文明也不會停止，生命和文明將繼續(xù)下去。

時光飛逝，作為太陽能電池的主流材料——晶體硅已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市場。平均每個固態(tài)硅晶體已經(jīng)可以將撞擊在其上的太陽光子的15%～20%轉(zhuǎn)化為電能了，而且其他便宜又可以隨意取用的太陽能也得到飛速的發(fā)展?？梢哉f，恰米奇安關(guān)于光伏的預(yù)言已經(jīng)一步步實現(xiàn)。

然而，太陽的光照不是恒定的，它只有在白天照射地球的一面，而且有時還躲在云層背后，使光伏電池產(chǎn)生的電流呈現(xiàn)出間歇性的特征，這給我們的生產(chǎn)與生活帶來極大的不方便。

相較硅晶體太陽能轉(zhuǎn)化率高達(dá)15%～20%而言，恰米奇安預(yù)言中提到的模仿植物的光合作用制造化合物并沒有得到人們的重視。因為理論上講，植物最大只能將4.5%的太陽能轉(zhuǎn)化為生物量；而實際上，其轉(zhuǎn)化成功率大約只有1%。

但是，植物的光合作用可以解決太陽光照不穩(wěn)定的問題。植物的儲能方式不是基于帶電粒子，而是化學(xué)鍵。它們將能量以糖的形式儲存起來，方便它們新陳代謝。換句話說，它們制造的是燃料。

諾切拉的第一片葉子

怎樣才能模仿植物的光合作用，環(huán)保地制造出燃料呢？

美國哈佛大學(xué)的諾切拉教授是第一個開始研發(fā)復(fù)制光合作用的人。2011年，他研制出了當(dāng)時最好的人造葉子系統(tǒng)——一片充滿催化劑的硅晶體。與其說是葉子，它看起來更像一張發(fā)著灰色光的郵票。將它扔進(jìn)有充分光照的水里，它可以利用太陽光轉(zhuǎn)化成的電來進(jìn)行電解水反應(yīng)，把水分解成氧氣和氫氣，其中氫氣可以用來做燃料。但以氫氣為燃料很不實用，一是氫氣體積大，不好壓縮，很難儲存和運輸。二是使用不方便，危險性也很大，所以科學(xué)家又繼續(xù)想辦法。

有了硅晶體葉子的基礎(chǔ)，諾切拉和哈佛大學(xué)的生物工程師帕梅拉·斯維爾一起工作，將2011年造出的遇水分解氫氣的人造葉子和一種叫做真氧產(chǎn)堿桿菌的土壤細(xì)菌配在一起。這樣可以讓細(xì)菌吃掉氫氣和二氧化碳，吐出一種碳基液體燃料。他們還對真氧產(chǎn)堿桿菌的基因進(jìn)行修補(bǔ)，使其能生產(chǎn)不同的液態(tài)乙醇燃料。

然而，諾切拉和斯維爾的實驗雖然成功了，但只是勉強(qiáng)成功。這些幫助人造葉子產(chǎn)生氫氣的催化劑，同時產(chǎn)生了一種極其活躍的氧原子。由于這些氧原子太過活躍，干擾了真氧產(chǎn)堿桿菌的生物化學(xué)機(jī)制，并在幾個小時內(nèi)殺死了這些細(xì)菌。

一次實驗的失敗并沒有阻擋諾切拉的腳步。在2016年，諾切拉和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種對細(xì)菌友好的新催化劑。這種催化劑不再干擾細(xì)菌的工作并殺死細(xì)菌，用它造出的葉子成本不但更低，而且工作效率非常高——能將10%的太陽能轉(zhuǎn)化成燃料。

但是，這項技術(shù)的成本仍然比生產(chǎn)煤氣、開采石油要高。

吃電的微生物

所以，除了用催化劑和電產(chǎn)生氫氣喂給微生物，還有沒有其他更高效直接的辦法呢？

美國亞利桑那州立大學(xué)研究太陽能采集的摩爾的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)：有些類型的細(xì)菌本身就可以在凈電荷作用下通過直接注入電子來生存。比如，有一種叫地桿菌的微生物可以吃掉電子，并用這些電子來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

順著這種思路，美籍華裔納米材料專家楊培東在2013年將一種非光合作用細(xì)菌（自身無法吸收光能的細(xì)菌）連接到了可以吸收光能的硅納米線上，結(jié)果它們不僅在遇到硅線內(nèi)由太陽能直接轉(zhuǎn)化而來的原始電子后幸存了下來，而且可以生長數(shù)周之久。

經(jīng)過2年的實驗，這個團(tuán)隊利用這種吃電子的微生物，把二氧化碳和水合成了液體燃料，例如由碳、氫、氧構(gòu)成的醋酸酯。

然而，人工生產(chǎn)納米硅的成本較高，所以為了降低成本，這個團(tuán)隊又用另一種非光合作用細(xì)菌——會自發(fā)合成醋酸酯的熱醋穆爾氏菌做實驗，向其添加含有可以把光能轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)混合物。結(jié)果，在熱醋穆爾氏菌表面產(chǎn)生了能吸收光的物質(zhì)。也就是說，熱醋穆爾氏菌給自己造了一件半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的太陽能外套，憑借這件外套，它們便可以自由地獲取由太陽能轉(zhuǎn)化而來的電子。由于細(xì)菌可以繁殖，它們簡直是會自我復(fù)制的微型太陽能燃料工廠。

目前，這些“葉子”都是由單細(xì)胞生物構(gòu)成的生物機(jī)器，但如果能使這些單細(xì)胞生物進(jìn)化成復(fù)雜細(xì)胞，那么最終我們得到的復(fù)雜細(xì)胞會像一條生產(chǎn)線一樣去做更多化學(xué)合成，制造出任何我們所需要的化學(xué)物質(zhì)。

目前的問題是，這種吃電子的細(xì)菌只能在實驗儀器里存活幾周，并且這個系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)化率僅為2.5%。

展望仿生葉子的未來

美國宇航局最近通過了一個項目，這個項目計劃使用楊培東研發(fā)的有機(jī)生物體來制造宇航員的生活必需品，比如食物、燃料和氧氣。他們還將用楊培東的仿生葉子去實現(xiàn)通過吸收氮氣和二氧化碳來制造合成氨化肥的想法。這些合成氨將用于培育宇宙中的農(nóng)作物。

楊培東還設(shè)想要建一個功能不同的微生物體系。比如說，體系中有可以檢查氧氣供應(yīng)量的細(xì)胞，如果氧氣供應(yīng)量不足，這些細(xì)胞就會反饋給葉子細(xì)胞，讓它們加快光合作用。

也許，我們很快就能走進(jìn)用硅納米線和細(xì)菌來合成一切化合物的半生物半機(jī)械化制造時代，這意味著干凈的能源和新生事物——太陽光伏和各種微生物結(jié)合，零排放量地創(chuàng)造人類所需的所有化學(xué)物質(zhì)：食物、燃料、肥料、金屬化合物……因為仿生葉子研究的發(fā)展，能源問題可能就此解決。更美妙的是，這種技術(shù)不僅限于地球使用，也許有一天仿生葉子將會在其他星球上吃它們的電子，制造出我們需要的食物與燃料。endprint