制作一片“树叶”来发电

成琳岚

当美籍华裔化学家杨培东第一次将带电的硅线连接到有生命的有机体上时，没人认为这会带来什么研究成果。当他第一次提出这个构想时，人们根本不相信这会行得通。

可事实却让人们大吃一惊。杨培东的实验和其他一些学者的研究表明：一些有机生物体不仅能在电子束中存活下来，还能维持生命长达几周的时间。杨培东的实验激发了学界的一种期待——通过生物学与电学的结合，最终解决一个大难题：怎样将免费的太阳能转换成既便宜又清洁的绿色能源？

不仅如此，通过制造微生物，将人类最先进的采光技术与自然界利用太阳能的主要方式——光合作用相結合，我们也许还能够创建一些微小的绿色工厂，并从中提取出许多有用的化学物质。

科学家认为，大自然“知道”怎样产生化学反应，而人类知道如何发电，那么，如果能把这两者结合起来，其研究和应用前景将非常广阔。

像植物那样利用太阳能

其实，人类收集利用太阳能的渴望与研究从100多年前就开始了。早在1912年就有科学家提出：人类是否能像植物那样采集并利用太阳能？在此之前，人类文明几乎都只是利用化石燃料。如果能够更好地利用太阳的辐射能，对人类来说，是否又是一次新的跨越？

在过去的一个世纪里，人类所用的能源大部分都来自原油和煤。然而，100多年的工业化进程引发了许多环境问题：二氧化碳在大气中的浓度越来越高，全球变暖加剧，极端天气情况越来越多，海平面上升，环境污染等等。这一切都在催促人类采用更清洁的能源。

—个世纪很快过去了，或许我们已经部分实现了100年前科学家利用太阳能的愿景。如今，由刚性硅晶体制成的普通的太阳能电池板可将照射在上面的15%～20%的太阳光转化成电能，然后用电池储存起来。其他类型的太阳能电池也是既使用方便又价格便宜，其转换效率也在提高。相比之下，植物的能耐反而显得不值一提：植物将太阳能转化为化学能的效率最大理论值只有45%，而实际转化效率更低，甘蔗的转化率稍高一点，也就4%左右，现实中植物的转化率通常都只有1%。

然而，这样的比较忽略了一个重要的问题，即太阳光并非全天候照射。太阳只在白天照射，而即使是白天，阳光在很多时候还会被云层遮住，这就使得光伏电池产生的电流变得断断续续。虽然我们能够采用光伏电池很好地存储并再次利用这些电能，但光伏电池不仅价格昂贵，体积庞大，而且每次充电都会消耗掉一些电能。此外，废弃电池的处理也会带来新的环境问题。

植物光合作用示意图

植物在这方面却具有绝对的优势。为了应对日落之后没有阳光照射的问题，植物演化出了自己的妙招：将白天接收到的太阳能转化为化学能，这种储能不是基于带电粒子，而是用化学键来储存能量。换句话说，是植物自己制造燃料！植物自己制造燃料比起电池来，具有更大的存储容量;而且，自然界也没有足够的空间来容纳那么多储能电池。因此，植物自己制造燃料来贮存能量，可真是个便捷又经济的妙招！

不过，要想完全用人工系统来复制植物的光合作用，难度太大。植物通过吸收水分并利用太阳的能量将其分解为氧气、电子和带正电的氢离子（也称为质子）。然后，这些质子和电子会与二氧化碳相结合而生成糖。整个过程都伴随着生成一些具有复杂化学结构的生物分子，这一点是人工设计出来的系统所难以做到的。

人造“树叶”

尽管如此困难，科学家却从未停止对复制植物光合作用探索的脚步。现在，美国哈佛大学化学家丹尼尔·诺塞拉可能是在这方面走在最前面的人。2011年，他便推出了被认为是当时世界上最好的人造“树叶”，即“人工光合作用系统”。该“树叶”设计简单，所需部件也十分便宜。比起真实的树叶，它看起来更像是一枚闪亮的灰色邮票。实际上。这是一个浸有催化剂的硅片。在阳光下将这片“树叶”放入水中，其周围便会形成氧气和氢气气泡。这些氢便是关键。它是一种可以转移到加压燃料罐或者燃料电池中的燃料，可以随时将其转换为电能（见下图所示）。

诺塞拉的研究令人叫绝，但仍不足以推动能源革命。尽管氢的确是一种燃料，氢经济的梦想已有多年，但其进展现在已几近停滞。其中的原因：一是因为将氢转化为电能的燃料电池要依赖昂贵且稀有的金属（如铂金）来做催化剂;二是因为人类社会中已经存在有大量的基于碳基液体燃料的基础设施，氢燃料并不能很好地与这些设施相匹配，而将这些基础设施全部替换重来，又是不现实的。

植物却完全没有我们所面临的这些麻烦，因为植物可以将采集到的能量转化存储为糖，自身再将糖代谢掉。科学家们一直期望研制出一种人工光合作用系统，让它能够产出适合我们现有基础设施的燃料。虽然这种生物燃料在燃烧时会产生二氧化碳，但由于人工“叶片”会首先吸收二氧化碳。因此净排放量将接近于零。

遗憾的是，我们还未能做到最后一步。尽管我们已经知道如何利用光伏技术很好地利用太阳能发电，但我们还不知道如何将太阳能转化为碳基燃料。

天然树叶

白天，植物会吸收水和二氧化碳，并利用光和大量酶将其转化为氧气和糖。

绝色机器 新一代阳光收集器将比以往更高效。

人造树叶

合成的叶片具有半导体，可以吸收光来产生电子及催化剂，并从水中摄取质子，最终将它们结合来制造氢。

仿生树叶

将光收集技术与微生物相结合的产物有一种设计是，将人造树叶所产生的氯传递给微生物，并使其产生有用的化学物质。

半机械半生物的光合作用系统

于是，一个新的构想产生了。既然植物是控制燃料合成的生物化学大师，而人类在制造电子方面又更胜一筹，那么，是否可以将两者相结合。创造一种半机械半生物的光合作用系统呢？

2011年时，诺塞拉与生物工程学家希尔弗合作，将仿生树叶产生的氢气与土壤中的一种以氢为食的细菌（真氧产碱杆菌）配对，再与二氧化碳相混合，就能生成生物燃料。希尔弗还对该细菌的基因组进行了改造，使其能够产生各种液态酒精燃料。

不过，诺塞拉开发的制氢催化剂在实验过程中产生了高反应性的氧原子，以至于破坏了细菌的生化机制，使其在数小时内便死去了。还好，在2016年诺塞拉团队又发现了一种新的催化剂，它可以与微生物很好地发挥作用，从而使其人工光合作用系统比之以前的系统更加便捷高效，可将阳光中高达10%的能量转化为燃料。

此时，杨培东也开始了用微生物与电直接进行实验的探索。他想比诺塞拉走得更远：直接用电子养活微生物，而不是用氢。若是在十年前，科学界是完全想不到这一点的。但最近有科学家发现，某些类型的细菌可以通过直接摄入电子，并依靠纯电力生存;某些微生物（如地杆菌属）甚至可以吸收电子，并将其用于化学反应。但杨培东想要做得更为精彩。

在2013年，杨培东团队发现，某些类型的非光合细菌可以在进行光采集的硅纳米导线上生长。两年后他们又发现，纳米导线可以将电子直接转移到细菌中，而且这些细菌似乎对这一安排十分满意——它们可以吸收电子，并利用二氧化碳和水，与氢、碳和氧生成液嫩燃料（例如乙酸盐等）。

杨培东也开始了用微生物与电直接进行实验的探索。

仿生树叶还可以生产出许多重要的化学物质

随后，戏剧性的一幕发生了。杨培东团队启用了另一种非光合作用细菌——热乙酸摩尔氏菌，它能自行生产乙酸盐。将这种细菌与包括镉离子和氨基酸半胱氨酸在内的多种化学物质混合后，奇异的事情出现了：细菌表面上出现了由硫化镉形成的吸光颗粒。这说明细菌似乎用这些化学物质制成了自己的太阳能收集外套！杨培东对此解释道：人工制造半导体纳米阵列需要付出很多努力，但细菌竟然自己创造了一个半导体表面。这就是一个由太阳能驱动的细菌燃料工厂，而且这样的工厂还可以进行自我复制！

不过，关于耐久性的问题依然存在。到目前为止，吸收电子的细菌在杨培东的设备中只能存活数周。杨培东团队正专注于了解细菌的生化过程，希望有助于提高整个系统的效率。目前该系统的转化效率还只在Z5%。

实际上，目前仿生树叶所引起的关注点还不仅仅在制造燃料上，更令人兴奋的是，仿生树叶还可能生产出许多人类所需的其他化学物质。

氨的分子结构。仿生树叶还可能生产出许多人类所需的化学物质。

以氨为例。氨是由氮原子和氢原子组成的分子，也是一种重要的肥料和化工原料，仅在2016年全球就使用了约1.66亿吨的氨。然而，目前氨的制备仍在使用百年前耗能极高的“哈伯工艺”，其生产过程会产生大量二氧化碳。

现在，有科学家发现了某些类型的细菌可将空气中的氮转化为氨的生化机制。科学家将这些细菌放入特定溶液中，通过注入氮气，并添加硫化镉半导体，由此获得了一种类似被解构变形的人造光合作用系统，该系统可以有效地从阳光中产生氨。并且，实验设计中去除了活细胞以降低其复杂性，仅仅使用一种固氮酶（一种能够将氮分子还原成氨的酶）便可开启整个反应。

不过，要从细菌中纯化固氮酶是个非常耗时的过程，因此不大可能扩大规模并最终应用到实际生产中。为此，科学家想合成易于处理的人工替代物来模拟固氮酶。

杨培东所追寻的研究方向并非去解构细胞，而是将整个系统进行更为精细的设计。目前，杨培东团队所培养的“树叶”是由简单细胞与包裹在膜中的一系列酶及生物机械的组合。在这个基础之上，逐步往该组合中添加某些目标产物转化所必须的物质，使得整个系统最终成为一条可以生产复杂化学物质的细胞生产线。

诺塞拉对此很赞同。他认为，人们可以考虑将其作为一个通用的可再生化学合成平台。因为可以对细菌进行基因操作，所以人们能够利用这一平台来生产塑料、药物或某些化合物等必需品，而如果用以往的办法去人工化学合成这些物质，则需要消耗大量燃料。因此，这种新技术在经济上是可行的，且随着技术进步，成本还会逐渐下降。

让未来太空旅行不再遥远

美国宇航局对这样的构想也非常认可。杨培东等科学家正在进行一些新的研究项目，期望能够利用生物有机体为宇航员生产一些諸如食品、燃料及氧气等必需品。这些研究项目将利用杨培东的仿生树叶，在太空环境下实现人工固氮。即利用氮和二氧化碳来生产氨，给太空中的粮食作物做肥料，并提供氧气。在地球上，燃料很重要，但在太空中，氧气却是性命攸关的。

科学家发现，火星上面的大气9B%都是二氧化碳，而剩下的多是氮气。那么，在火星上进行人工光合作用比在地球上容易得多，氮气则可以被固定下来做肥料。如果能将整个人工光合作用体系应用于固定二氧化碳和氮气的话，那么，既解决了太空旅行中的化学品问题，也解决了能源问题，还解决了在外太空种植作物所需要的肥料问题。

现在，杨培东甚至已经开始构想建立一个将不同类型、不同功能的仿生细胞结合在一起的系统。该系统可能更像一种有机体。例如，当系统中负责感应的细胞察觉到氧气供应不足时，机体便会增强其叶细胞的光合作用——制造氧气。

自杨培东首次尝试将细菌与电连通以来，科学家已经走过了很长一段探索之路。诺塞拉等科学家对未来的科技发展充满信心。他认为，我们已经离科幻电影《火星救援》所描绘的场景越来越近。也许有一天，仿生树叶真会在另一颗星球上开心地吸收电子呢！