制作一片“樹(shù)葉”來(lái)發(fā)電

成琳嵐

當(dāng)美籍華裔化學(xué)家楊培東第一次將帶電的硅線連接到有生命的有機(jī)體上時(shí)，沒(méi)人認(rèn)為這會(huì)帶來(lái)什么研究成果。當(dāng)他第一次提出這個(gè)構(gòu)想時(shí)，人們根本不相信這會(huì)行得通。

可事實(shí)卻讓人們大吃一驚。楊培東的實(shí)驗(yàn)和其他一些學(xué)者的研究表明：一些有機(jī)生物體不僅能在電子束中存活下來(lái)，還能維持生命長(zhǎng)達(dá)幾周的時(shí)間。楊培東的實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)界的一種期待——通過(guò)生物學(xué)與電學(xué)的結(jié)合，最終解決一個(gè)大難題：怎樣將免費(fèi)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成既便宜又清潔的綠色能源？

不僅如此，通過(guò)制造微生物，將人類最先進(jìn)的采光技術(shù)與自然界利用太陽(yáng)能的主要方式——光合作用相結(jié)合，我們也許還能夠創(chuàng)建一些微小的綠色工廠，并從中提取出許多有用的化學(xué)物質(zhì)。

科學(xué)家認(rèn)為，大自然“知道”怎樣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而人類知道如何發(fā)電，那么，如果能把這兩者結(jié)合起來(lái)，其研究和應(yīng)用前景將非常廣闊。

像植物那樣利用太陽(yáng)能

其實(shí)，人類收集利用太陽(yáng)能的渴望與研究從100多年前就開(kāi)始了。早在1912年就有科學(xué)家提出：人類是否能像植物那樣采集并利用太陽(yáng)能？在此之前，人類文明幾乎都只是利用化石燃料。如果能夠更好地利用太陽(yáng)的輻射能，對(duì)人類來(lái)說(shuō)，是否又是一次新的跨越？

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，人類所用的能源大部分都來(lái)自原油和煤。然而，100多年的工業(yè)化進(jìn)程引發(fā)了許多環(huán)境問(wèn)題：二氧化碳在大氣中的濃度越來(lái)越高，全球變暖加劇，極端天氣情況越來(lái)越多，海平面上升，環(huán)境污染等等。這一切都在催促人類采用更清潔的能源。

—個(gè)世紀(jì)很快過(guò)去了，或許我們已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了100年前科學(xué)家利用太陽(yáng)能的愿景。如今，由剛性硅晶體制成的普通的太陽(yáng)能電池板可將照射在上面的15%～20%的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成電能，然后用電池儲(chǔ)存起來(lái)。其他類型的太陽(yáng)能電池也是既使用方便又價(jià)格便宜，其轉(zhuǎn)換效率也在提高。相比之下，植物的能耐反而顯得不值一提：植物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率最大理論值只有45%，而實(shí)際轉(zhuǎn)化效率更低，甘蔗的轉(zhuǎn)化率稍高一點(diǎn)，也就4%左右，現(xiàn)實(shí)中植物的轉(zhuǎn)化率通常都只有1%。

然而，這樣的比較忽略了一個(gè)重要的問(wèn)題，即太陽(yáng)光并非全天候照射。太陽(yáng)只在白天照射，而即使是白天，陽(yáng)光在很多時(shí)候還會(huì)被云層遮住，這就使得光伏電池產(chǎn)生的電流變得斷斷續(xù)續(xù)。雖然我們能夠采用光伏電池很好地存儲(chǔ)并再次利用這些電能，但光伏電池不僅價(jià)格昂貴，體積龐大，而且每次充電都會(huì)消耗掉一些電能。此外，廢棄電池的處理也會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境問(wèn)題。

植物光合作用示意圖

植物在這方面卻具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。為了應(yīng)對(duì)日落之后沒(méi)有陽(yáng)光照射的問(wèn)題，植物演化出了自己的妙招：將白天接收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，這種儲(chǔ)能不是基于帶電粒子，而是用化學(xué)鍵來(lái)儲(chǔ)存能量。換句話說(shuō)，是植物自己制造燃料！植物自己制造燃料比起電池來(lái)，具有更大的存儲(chǔ)容量;而且，自然界也沒(méi)有足夠的空間來(lái)容納那么多儲(chǔ)能電池。因此，植物自己制造燃料來(lái)貯存能量，可真是個(gè)便捷又經(jīng)濟(jì)的妙招！

不過(guò)，要想完全用人工系統(tǒng)來(lái)復(fù)制植物的光合作用，難度太大。植物通過(guò)吸收水分并利用太陽(yáng)的能量將其分解為氧氣、電子和帶正電的氫離子（也稱為質(zhì)子）。然后，這些質(zhì)子和電子會(huì)與二氧化碳相結(jié)合而生成糖。整個(gè)過(guò)程都伴隨著生成一些具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的生物分子，這一點(diǎn)是人工設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)所難以做到的。

人造“樹(shù)葉”

盡管如此困難，科學(xué)家卻從未停止對(duì)復(fù)制植物光合作用探索的腳步?，F(xiàn)在，美國(guó)哈佛大學(xué)化學(xué)家丹尼爾·諾塞拉可能是在這方面走在最前面的人。2011年，他便推出了被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上最好的人造“樹(shù)葉”，即“人工光合作用系統(tǒng)”。該“樹(shù)葉”設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所需部件也十分便宜。比起真實(shí)的樹(shù)葉，它看起來(lái)更像是一枚閃亮的灰色郵票。實(shí)際上。這是一個(gè)浸有催化劑的硅片。在陽(yáng)光下將這片“樹(shù)葉”放入水中，其周?chē)銜?huì)形成氧氣和氫氣氣泡。這些氫便是關(guān)鍵。它是一種可以轉(zhuǎn)移到加壓燃料罐或者燃料電池中的燃料，可以隨時(shí)將其轉(zhuǎn)換為電能（見(jiàn)下圖所示）。

諾塞拉的研究令人叫絕，但仍不足以推動(dòng)能源革命。盡管氫的確是一種燃料，氫經(jīng)濟(jì)的夢(mèng)想已有多年，但其進(jìn)展現(xiàn)在已幾近停滯。其中的原因：一是因?yàn)閷滢D(zhuǎn)化為電能的燃料電池要依賴昂貴且稀有的金屬（如鉑金）來(lái)做催化劑;二是因?yàn)槿祟惿鐣?huì)中已經(jīng)存在有大量的基于碳基液體燃料的基礎(chǔ)設(shè)施，氫燃料并不能很好地與這些設(shè)施相匹配，而將這些基礎(chǔ)設(shè)施全部替換重來(lái)，又是不現(xiàn)實(shí)的。

植物卻完全沒(méi)有我們所面臨的這些麻煩，因?yàn)橹参锟梢詫⒉杉降哪芰哭D(zhuǎn)化存儲(chǔ)為糖，自身再將糖代謝掉?？茖W(xué)家們一直期望研制出一種人工光合作用系統(tǒng)，讓它能夠產(chǎn)出適合我們現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的燃料。雖然這種生物燃料在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，但由于人工“葉片”會(huì)首先吸收二氧化碳。因此凈排放量將接近于零。

遺憾的是，我們還未能做到最后一步。盡管我們已經(jīng)知道如何利用光伏技術(shù)很好地利用太陽(yáng)能發(fā)電，但我們還不知道如何將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為碳基燃料。

天然樹(shù)葉

白天，植物會(huì)吸收水和二氧化碳，并利用光和大量酶將其轉(zhuǎn)化為氧氣和糖。

絕色機(jī)器 新一代陽(yáng)光收集器將比以往更高效。

人造樹(shù)葉

合成的葉片具有半導(dǎo)體，可以吸收光來(lái)產(chǎn)生電子及催化劑，并從水中攝取質(zhì)子，最終將它們結(jié)合來(lái)制造氫。

仿生樹(shù)葉

將光收集技術(shù)與微生物相結(jié)合的產(chǎn)物有一種設(shè)計(jì)是，將人造樹(shù)葉所產(chǎn)生的氯傳遞給微生物，并使其產(chǎn)生有用的化學(xué)物質(zhì)。

半機(jī)械半生物的光合作用系統(tǒng)

于是，一個(gè)新的構(gòu)想產(chǎn)生了。既然植物是控制燃料合成的生物化學(xué)大師，而人類在制造電子方面又更勝一籌，那么，是否可以將兩者相結(jié)合。創(chuàng)造一種半機(jī)械半生物的光合作用系統(tǒng)呢？

2011年時(shí)，諾塞拉與生物工程學(xué)家希爾弗合作，將仿生樹(shù)葉產(chǎn)生的氫氣與土壤中的一種以氫為食的細(xì)菌（真氧產(chǎn)堿桿菌）配對(duì)，再與二氧化碳相混合，就能生成生物燃料。希爾弗還對(duì)該細(xì)菌的基因組進(jìn)行了改造，使其能夠產(chǎn)生各種液態(tài)酒精燃料。

不過(guò)，諾塞拉開(kāi)發(fā)的制氫催化劑在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了高反應(yīng)性的氧原子，以至于破壞了細(xì)菌的生化機(jī)制，使其在數(shù)小時(shí)內(nèi)便死去了。還好，在2016年諾塞拉團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，它可以與微生物很好地發(fā)揮作用，從而使其人工光合作用系統(tǒng)比之以前的系統(tǒng)更加便捷高效，可將陽(yáng)光中高達(dá)10%的能量轉(zhuǎn)化為燃料。

此時(shí)，楊培東也開(kāi)始了用微生物與電直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探索。他想比諾塞拉走得更遠(yuǎn)：直接用電子養(yǎng)活微生物，而不是用氫。若是在十年前，科學(xué)界是完全想不到這一點(diǎn)的。但最近有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某些類型的細(xì)菌可以通過(guò)直接攝入電子，并依靠純電力生存;某些微生物（如地桿菌屬）甚至可以吸收電子，并將其用于化學(xué)反應(yīng)。但楊培東想要做得更為精彩。

在2013年，楊培東團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，某些類型的非光合細(xì)菌可以在進(jìn)行光采集的硅納米導(dǎo)線上生長(zhǎng)。兩年后他們又發(fā)現(xiàn)，納米導(dǎo)線可以將電子直接轉(zhuǎn)移到細(xì)菌中，而且這些細(xì)菌似乎對(duì)這一安排十分滿意——它們可以吸收電子，并利用二氧化碳和水，與氫、碳和氧生成液嫩燃料（例如乙酸鹽等）。

楊培東也開(kāi)始了用微生物與電直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探索。

仿生樹(shù)葉還可以生產(chǎn)出許多重要的化學(xué)物質(zhì)

隨后，戲劇性的一幕發(fā)生了。楊培東團(tuán)隊(duì)啟用了另一種非光合作用細(xì)菌——熱乙酸摩爾氏菌，它能自行生產(chǎn)乙酸鹽。將這種細(xì)菌與包括鎘離子和氨基酸半胱氨酸在內(nèi)的多種化學(xué)物質(zhì)混合后，奇異的事情出現(xiàn)了：細(xì)菌表面上出現(xiàn)了由硫化鎘形成的吸光顆粒。這說(shuō)明細(xì)菌似乎用這些化學(xué)物質(zhì)制成了自己的太陽(yáng)能收集外套！楊培東對(duì)此解釋道：人工制造半導(dǎo)體納米陣列需要付出很多努力，但細(xì)菌竟然自己創(chuàng)造了一個(gè)半導(dǎo)體表面。這就是一個(gè)由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的細(xì)菌燃料工廠，而且這樣的工廠還可以進(jìn)行自我復(fù)制！

不過(guò)，關(guān)于耐久性的問(wèn)題依然存在。到目前為止，吸收電子的細(xì)菌在楊培東的設(shè)備中只能存活數(shù)周。楊培東團(tuán)隊(duì)正專注于了解細(xì)菌的生化過(guò)程，希望有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。目前該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率還只在Z5%。

實(shí)際上，目前仿生樹(shù)葉所引起的關(guān)注點(diǎn)還不僅僅在制造燃料上，更令人興奮的是，仿生樹(shù)葉還可能生產(chǎn)出許多人類所需的其他化學(xué)物質(zhì)。

氨的分子結(jié)構(gòu)。仿生樹(shù)葉還可能生產(chǎn)出許多人類所需的化學(xué)物質(zhì)。

以氨為例。氨是由氮原子和氫原子組成的分子，也是一種重要的肥料和化工原料，僅在2016年全球就使用了約1.66億噸的氨。然而，目前氨的制備仍在使用百年前耗能極高的“哈伯工藝”，其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。

現(xiàn)在，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了某些類型的細(xì)菌可將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨的生化機(jī)制?？茖W(xué)家將這些細(xì)菌放入特定溶液中，通過(guò)注入氮?dú)?，并添加硫化鎘半導(dǎo)體，由此獲得了一種類似被解構(gòu)變形的人造光合作用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地從陽(yáng)光中產(chǎn)生氨。并且，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中去除了活細(xì)胞以降低其復(fù)雜性，僅僅使用一種固氮酶（一種能夠?qū)⒌肿舆€原成氨的酶）便可開(kāi)啟整個(gè)反應(yīng)。

不過(guò)，要從細(xì)菌中純化固氮酶是個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，因此不大可能擴(kuò)大規(guī)模并最終應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。為此，科學(xué)家想合成易于處理的人工替代物來(lái)模擬固氮酶。

楊培東所追尋的研究方向并非去解構(gòu)細(xì)胞，而是將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行更為精細(xì)的設(shè)計(jì)。目前，楊培東團(tuán)隊(duì)所培養(yǎng)的“樹(shù)葉”是由簡(jiǎn)單細(xì)胞與包裹在膜中的一系列酶及生物機(jī)械的組合。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，逐步往該組合中添加某些目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化所必須的物質(zhì)，使得整個(gè)系統(tǒng)最終成為一條可以生產(chǎn)復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的細(xì)胞生產(chǎn)線。

諾塞拉對(duì)此很贊同。他認(rèn)為，人們可以考慮將其作為一個(gè)通用的可再生化學(xué)合成平臺(tái)。因?yàn)榭梢詫?duì)細(xì)菌進(jìn)行基因操作，所以人們能夠利用這一平臺(tái)來(lái)生產(chǎn)塑料、藥物或某些化合物等必需品，而如果用以往的辦法去人工化學(xué)合成這些物質(zhì)，則需要消耗大量燃料。因此，這種新技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是可行的，且隨著技術(shù)進(jìn)步，成本還會(huì)逐漸下降。

讓未來(lái)太空旅行不再遙遠(yuǎn)

美國(guó)宇航局對(duì)這樣的構(gòu)想也非常認(rèn)可。楊培東等科學(xué)家正在進(jìn)行一些新的研究項(xiàng)目，期望能夠利用生物有機(jī)體為宇航員生產(chǎn)一些諸如食品、燃料及氧氣等必需品。這些研究項(xiàng)目將利用楊培東的仿生樹(shù)葉，在太空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)人工固氮。即利用氮和二氧化碳來(lái)生產(chǎn)氨，給太空中的糧食作物做肥料，并提供氧氣。在地球上，燃料很重要，但在太空中，氧氣卻是性命攸關(guān)的。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星上面的大氣9B%都是二氧化碳，而剩下的多是氮?dú)?。那么，在火星上進(jìn)行人工光合作用比在地球上容易得多，氮?dú)鈩t可以被固定下來(lái)做肥料。如果能將整個(gè)人工光合作用體系應(yīng)用于固定二氧化碳和氮?dú)獾脑?，那么，既解決了太空旅行中的化學(xué)品問(wèn)題，也解決了能源問(wèn)題，還解決了在外太空種植作物所需要的肥料問(wèn)題。

現(xiàn)在，楊培東甚至已經(jīng)開(kāi)始構(gòu)想建立一個(gè)將不同類型、不同功能的仿生細(xì)胞結(jié)合在一起的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可能更像一種有機(jī)體。例如，當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)感應(yīng)的細(xì)胞察覺(jué)到氧氣供應(yīng)不足時(shí)，機(jī)體便會(huì)增強(qiáng)其葉細(xì)胞的光合作用——制造氧氣。

自楊培東首次嘗試將細(xì)菌與電連通以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)一段探索之路。諾塞拉等科學(xué)家對(duì)未來(lái)的科技發(fā)展充滿信心。他認(rèn)為，我們已經(jīng)離科幻電影《火星救援》所描繪的場(chǎng)景越來(lái)越近。也許有一天，仿生樹(shù)葉真會(huì)在另一顆星球上開(kāi)心地吸收電子呢！