助推火星移民計(jì)劃，“人工光合作用”系統(tǒng)進(jìn)入二點(diǎn)零版

楊大可

如果人類在未來進(jìn)行“星際移民”，那么火星毫無疑問將是第一目標(biāo)。硅谷“鋼鐵俠”埃隆，馬斯克就一直有著“殖民火星”的目標(biāo)，并計(jì)劃在火星上建立一座可自我維持的城市。

? ? “人工光合作用系統(tǒng)2.0版”：從空氣中捕獲二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)用的有機(jī)物的裝置;左側(cè)是裝有微生物與納米線內(nèi)結(jié)合系統(tǒng)的空間，這里會(huì)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸鹽，右側(cè)則是產(chǎn)生氧氣的空間

但人類生活所需的各種物資，從氧氣、燃料到食品、藥物，全部依靠火箭從地球運(yùn)輸并不現(xiàn)實(shí);即便SpaceX的火箭運(yùn)載能力在不斷提高。不過，加州大學(xué)伯克利分校的楊培東教授有一項(xiàng)更為長遠(yuǎn)又簡(jiǎn)單易行的計(jì)劃，或?qū)椭盎鹦且泼裼?jì)劃”早日實(shí)現(xiàn)。

在過去近10年的時(shí)間里，楊培東實(shí)驗(yàn)室的科研人員一直在研究一個(gè)將微生物與非生物材料相結(jié)合的“循環(huán)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)分子的基本成分——這也被人們稱之為“人工光合作用”。在2015年，楊培東實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出第一代“人工光合作用”系統(tǒng)，而就在近日，他們推出了更為優(yōu)秀的“2.0版本”。

根據(jù)楊培東的介紹，該系統(tǒng)中硅納米線在本質(zhì)上類似天線——它們像太陽能電池板一樣捕獲太陽光子。隨后這些硅納米線會(huì)產(chǎn)生電子，并將其提供給附著的微生物。最后，微生物吸收二氧化碳，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)出乙酸鹽。關(guān)于該研究的論文發(fā)表在3月31日的《Joule》雜志上，楊培東的“人工光合作用系統(tǒng)2.o版”創(chuàng)造了一個(gè)新的轉(zhuǎn)化效率紀(jì)錄：在長達(dá)一周的時(shí)間里，實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.6%的吸收太陽能轉(zhuǎn)化效率，完成由太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，并最終以乙酸鹽的形式儲(chǔ)存起來。此外，還能產(chǎn)生出氧氣。

媒體專門采訪了楊培東教授，以進(jìn)一步了解該研究背后的故事，以及他的未來計(jì)劃等。

如大自然一般的“動(dòng)態(tài)循環(huán)系統(tǒng)”

“火星大氣的96%都是二氧化碳?！睏钆鄸|說：“而我們的系統(tǒng)通過硅半導(dǎo)體納米線來吸收太陽能，并將其傳遞給納米線上的微生物來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

對(duì)于太空任務(wù)來說，人們需要考慮有效載荷的重量問題，而生物系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)則在于“它們可以自我復(fù)制”。這樣人們就不必依靠火箭來發(fā)射更多的東西，因此這也正是該“生物/非生物結(jié)合系統(tǒng)”吸引人的優(yōu)勢(shì)所在。即便不考慮星際移民，它在地球上也可以幫助解決能源短缺及二氧化碳排放導(dǎo)致的全球變暖等問題。

“除了陽光之外，我們的人工光合作用系統(tǒng)只需要另一種物質(zhì)——水。”楊培東說：“而火星上的極地冰蓋相對(duì)豐富，星球上大部分地區(qū)的地下都很可能凍結(jié)著大量的水?！蓖瑯樱覀兊牡厍蛞灿?0%以上是被海水所覆蓋的。

他實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的“人工光合作用”系統(tǒng)將硅半導(dǎo)體納米線與可以利用自身酶將二氧化碳轉(zhuǎn)化成特定多碳產(chǎn)物的微生物相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)從太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)變過程。在2015年該系統(tǒng)首次問世時(shí)，便引起了廣泛關(guān)注。但在那時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，只有0.4%。

“第一代主要是從概念上證明了我們的設(shè)計(jì)是可行的?！睏钆鄸|表示。隨后在過去的近5年時(shí)間里，他們不斷地對(duì)其優(yōu)化，直到提高到了如今的3.6%-而這已接近自然界中將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖等物質(zhì)的“冠軍”甘蔗的轉(zhuǎn)化效率，4%—5%?！拔覀?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了很多心思，大概經(jīng)歷了三四波研究生。”

? ? 微生物—納米線結(jié)合系統(tǒng)的掃描電鏡圖像：在最佳的pH值環(huán)境下，微生物會(huì)緊緊地包裹住納米線;這種緊密堆積會(huì)使太陽能更為有效地轉(zhuǎn)化為碳鍵

因?yàn)槲⑸飼?huì)有存活時(shí)間的問題，對(duì)此楊培東解釋了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，他說：“微生物的自我復(fù)制能力很強(qiáng)，也很頻繁。作為轉(zhuǎn)換的催化劑，用一段時(shí)間后就會(huì)死掉一批，但之后第二批又會(huì)生成了。它會(huì)有一個(gè)自我再生的過程，所以該系統(tǒng)的持久性是沒有問題的。”

此外，他還表示：實(shí)驗(yàn)室所做的內(nèi)容都是將其當(dāng)作一個(gè)“靜態(tài)”的系統(tǒng)來進(jìn)行各種研發(fā)與測(cè)試，但實(shí)際上，其最終的應(yīng)用形態(tài)會(huì)是像大自然中的植物一樣，周而復(fù)始地形成一個(gè)“動(dòng)態(tài)循環(huán)”。

作為“人工光合作用”系統(tǒng)的2.0版，楊培東的實(shí)驗(yàn)室主要針對(duì)微生物與納米線電極之間的界面進(jìn)行了研究和優(yōu)化。研究人員最初嘗試在納米線上填充更多的微生物來提高效率，而當(dāng)電子通過納米線直接轉(zhuǎn)移給微生物以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，微生物會(huì)從納米線上脫落，從而破壞了電路。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)這些微生物在產(chǎn)生乙酸的過程中降低了周圍水的酸度，因此導(dǎo)致了它們與納米線分離。

楊培東和他的學(xué)生們最終找到一種方法，可以控制環(huán)境中水的酸度，從而抵消了持續(xù)產(chǎn)生乙酸帶來的pH值上升的影響。這讓他們可以將數(shù)量更多的微生物投入到納米線之中，把轉(zhuǎn)換效率提高了近10倍。在不后續(xù)補(bǔ)充微生物的情況下，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定高效地進(jìn)行一周的二氧化碳還原反應(yīng)。

在太陽光持續(xù)照射下，“人工光合作用系統(tǒng)2.o版”在一周內(nèi)平均的“太陽能轉(zhuǎn)乙酸”的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了3.6%;同時(shí)，這一周中每天的乙酸產(chǎn)量也可以達(dá)到44.3g/m2（或o.3g/L）。此外，他們用同位素標(biāo)記法確認(rèn)了碳元素的反應(yīng)軌跡，并用黑暗對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明：光能是二氧化碳轉(zhuǎn)化的唯一能量來源。而生成的乙酸鹽分子可以作為一系列有機(jī)分子的組成部分，包括燃料、塑料和藥物等。同時(shí)，許多其他有機(jī)產(chǎn)品也可以由轉(zhuǎn)基因生物體內(nèi)的乙酸鹽制成，比如細(xì)菌或酵母。此外，楊培東的實(shí)驗(yàn)室也正在研究利用太陽能和二氧化碳來生產(chǎn)糖與碳水化合物的系統(tǒng)，這可能將進(jìn)一步解決星際移民的食物問題。