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能上太空的仿生叶子

这些绿色工厂可以制造出任何我们所需要的化合物——食物、肥料、燃料、药品以及其他化合物,只需要让微生物披上半导体光伏外衣晒晒太阳就能得到。


众所周知,能源问题一直是世界各国争端的根源之一。为了争夺能源,国家之间常常发生战争。

那么,新的科学发展能不能彻底扭转能源短缺的局面,从而减少战争的威胁呢?

坏消息是,我们现在主要依靠的燃料依然是煤炭、石油和天然气等化石燃料,这是不可再生资源。然而照现在人类持续增加的能源消耗量来看,化石燃料在将来的某一天必然枯竭。

好消息是,除了太阳能等新能源,近几年科学家们凭着突破思维的想象力和不断钻研的科学精神,已经研究出了一种二氧化碳排放量接近于零的新型可再生能源——仿生叶子。这是一种模仿植物光合作用,利用微生物和电流来产生燃料以及其他人类所需的化合物的仿生技术。

但是十年前,科学界根本没人相信这样的研究可以成功。那么,仿生叶子走过了怎样的发展历程,在未来到底能不能取代化石燃料以及其他稀有能源呢?

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一百多年前的预言


首先,我们来看一个一百多年前的预言。

1912年9月27日,最早进行光化学反应研究的意大利科学家恰米奇安在第八次国际应用化学会议上发表了他的预言:未来世界,将会用太阳光伏作为能源——在干旱地区将会涌现没有烟囱的工厂;玻璃管的森林将在地平线上不断延伸,玻璃建筑将无处不在;人类将模仿光合作用,为自己提供比大自然提供的更加丰富的合成食物。只要阳光普照,即使煤炭枯竭,人类文明也不会停止,生命和文明将继续下去。

时光飞逝,作为太阳能电池的主流材料——晶体硅已经广泛应用于市场。平均每个固态硅晶体已经可以将撞击在其上的太阳光子的15%~20%转化为电能了,而且其他便宜又可以随意取用的太阳能也得到飞速的发展。可以说,恰米奇安关于光伏的预言已经一步步实现。

然而,太阳的光照不是恒定的,它只有在白天照射地球的一面,而且有时还躲在云层背后,使光伏电池产生的电流呈现出间歇性的特征,这给我们的生产与生活带来极大的不方便。

相较硅晶体太阳能转化率高达15%~20%而言,恰米奇安预言中提到的模仿植物的光合作用制造化合物并没有得到人们的重视。因为理论上讲,植物最大只能将4.5%的太阳能转化为生物量;而实际上,其转化成功率大约只有1%。

但是,植物的光合作用可以解决太阳光照不稳定的问题。植物的储能方式不是基于带电粒子,而是化学键。它们将能量以糖的形式储存起来,方便它们新陈代谢。换句话说,它们制造的是燃料。

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诺切拉的第一片叶子


怎样才能模仿植物的光合作用,环保地制造出燃料呢?

美国哈佛大学的诺切拉教授是第一个开始研发复制光合作用的人。2011年,他研制出了当时最好的人造叶子系统——一片充满催化剂的硅晶体。与其说是叶子,它看起来更像一张发着灰色光的邮票。将它扔进有充分光照的水里,它可以利用太阳光转化成的电来进行电解水反应,把水分解成氧气和氢气,其中氢气可以用来做燃料。但以氢气为燃料很不实用,一是氢气体积大,不好压缩,很难储存和运输。二是使用不方便,危险性也很大,所以科学家又继续想办法。

有了硅晶体叶子的基础,诺切拉和哈佛大学的生物工程师帕梅拉·斯维尔一起工作,将2011年造出的遇水分解氢气的人造叶子和一种叫做真氧产碱杆菌的土壤细菌配在一起。这样可以让细菌吃掉氢气和二氧化碳,吐出一种碳基液体燃料。他们还对真氧产碱杆菌的基因进行修补,使其能生产不同的液态乙醇燃料。

然而,诺切拉和斯维尔的实验虽然成功了,但只是勉强成功。这些帮助人造叶子产生氢气的催化剂,同时产生了一种极其活跃的氧原子。由于这些氧原子太过活跃,干扰了真氧产碱杆菌的生物化学机制,并在几个小时内杀死了这些细菌。

一次实验的失败并没有阻挡诺切拉的脚步。在2016年,诺切拉和他的团队发现了一种对细菌友好的新催化剂。这种催化剂不再干扰细菌的工作并杀死细菌,用它造出的叶子成本不但更低,而且工作效率非常高——能将10%的太阳能转化成燃料。

但是,这项技术的成本仍然比生产煤气、开采石油要高。


吃电的微生物


所以,除了用催化剂和电产生氢气喂给微生物,还有没有其他更高效直接的办法呢?

美国亚利桑那州立大学研究太阳能采集的摩尔的团队发现:有些类型的细菌本身就可以在净电荷作用下通过直接注入电子来生存。比如,有一种叫地杆菌的微生物可以吃掉电子,并用这些电子来进行化学反应。

顺着这种思路,美籍华裔纳米材料专家杨培东在2013年将一种非光合作用细菌(自身无法吸收光能的细菌)连接到了可以吸收光能的硅纳米线上,结果它们不仅在遇到硅线内由太阳能直接转化而来的原始电子后幸存了下来,而且可以生长数周之久。

经过2年的实验,这个团队利用这种吃电子的微生物,把二氧化碳和水合成了液体燃料,例如由碳、氢、氧构成的醋酸酯。

然而,人工生产纳米硅的成本较高,所以为了降低成本,这个团队又用另一种非光合作用细菌——会自发合成醋酸酯的热醋穆尔氏菌做实验,向其添加含有可以把光能转化为电能的化学混合物。结果,在热醋穆尔氏菌表面产生了能吸收光的物质。也就是说,热醋穆尔氏菌给自己造了一件半导体结构的太阳能外套,凭借这件外套,它们便可以自由地获取由太阳能转化而来的电子。由于细菌可以繁殖,它们简直是会自我复制的微型太阳能燃料工厂。

目前,这些“叶子”都是由单细胞生物构成的生物机器,但如果能使这些单细胞生物进化成复杂细胞,那么最终我们得到的复杂细胞会像一条生产线一样去做更多化学合成,制造出任何我们所需要的化学物质。

目前的问题是,这种吃电子的细菌只能在实验仪器里存活几周,并且这个系统的太阳能转化率仅为2.5%。

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展望仿生叶子的未来


美国宇航局最近通过了一个项目,这个项目计划使用杨培东研发的有机生物体来制造宇航员的生活必需品,比如食物、燃料和氧气。他们还将用杨培东的仿生叶子去实现通过吸收氮气和二氧化碳来制造合成氨化肥的想法。这些合成氨将用于培育宇宙中的农作物。

杨培东还设想要建一个功能不同的微生物体系。比如说,体系中有可以检查氧气供应量的细胞,如果氧气供应量不足,这些细胞就会反馈给叶子细胞,让它们加快光合作用。

也许,我们很快就能走进用硅纳米线和细菌来合成一切化合物的半生物半机械化制造时代,这意味着干净的能源和新生事物——太阳光伏和各种微生物结合,零排放量地创造人类所需的所有化学物质:食物、燃料、肥料、金属化合物……因为仿生叶子研究的发展,能源问题可能就此解决。更美妙的是,这种技术不仅限于地球使用,也许有一天仿生叶子将会在其他星球上吃它们的电子,制造出我们需要的食物与燃料。


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