跟著菠集捕捉陽光

張　欣

1897年，“光合作用”一詞首次出現在教科書上。

一片綠葉，一縷陽光，吸收二氧化碳和水，釋放碳水化合物和氧氣，再簡單不過。

“綠葉就像個來料加工廠，原料、產品我們都清楚，然而這個工廠的大門一直緊閉，我們不知道工廠內部的結構，也不知道工人們如何工作。”中國科學院院士、結構生物學家常文瑞，這樣比喻光合作用機理的“神秘感”。

“地球每年經光合作用產生的物質有1730億～2200億噸，其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10倍～20倍，但目前的利用率不到3％?！彼嬖V《瞭望東方周刊》，光合作用是高效利用太陽能的最好榜樣，破解光合作用神秘機制，將為建立“人工光合作用系統”，繼而開發清潔、高效的新能源提供結構基礎。

主持測定了我國第一個膜蛋白晶體結構的常文瑞，向本刊記者展示了一幅高等植物(菠菜)捕光復合物在原子水平上的三維結構圖，圖中，一些紅色、綠色、黃色的“色素分子”，附著在一條條白色的“飄帶”上，精巧而鮮艷。

“白色的飄帶代表蛋白質，彩色的是葉綠索、胡蘿卜素等色素分子，它們是植物吸收太陽光的‘天線?！背Ｎ娜鸾忉屨f，色素分子的定位并非雜亂無章，而是很巧妙地組成了一個高效吸收和傳遞太陽光能的網絡?？疾焐胤肿酉鄬Φ姆轿弧⒕嚯x和排布規律，為認識和模擬植物捕光機制提供了結構基礎，人類在“跟著菠菜捕捉陽光”的道路上又往前邁進了一步。

“高效捕光”的靈感

誰是最大的資源消費國?常文瑞向記者展示了美國國防部的氣象衛星拍攝的人造夜空圖片：擁有世界4.6％人口的美國生產了16.8％的能源，消耗了23.4％的能源。

“十幾年前，中國的領土上，只有上海、北京附近的夜空有一點光亮，現在整個東部地區也都亮起來了。”他說，“已經亮起燈光的地方我們不希望它熄滅，我們要做的是讓中國的廣大中西部地區也亮起來。中國需要更多的能源!”

但按照現有世界能源消費水平計算，能源儲備僅夠用100年，樂觀點，200年。而且隨著社會的發展，能源需求量逐年增加，到2025年，世界各國對電力的需求將翻一番。

能源枯竭的同時，大氣中二氧化碳的濃度災難性地持續增高。有研究表明，即使通過節能減排等人為方式把空氣中的二氧化碳水平降下來，其影響還是會持續幾百年。

“結論就是，節能減排和開發新的、可再生的清潔能源。”常文瑞認為，太陽能無疑將是最主要的新能源。

太陽每小時灑向地球表面的能量，相當于地球每年消耗的能量總和；太陽每天灑向地球表面的能量，相當于地球現有能源儲備的總和，會不會利用、怎樣高效利用就成了關鍵。

常文瑞肯定地告訴記者：“植物的光合作用為高效利用太陽能提供了最好的榜樣?！?/p>

“到2050年，光合作用的最重要突破將與能源有關。”只要將太陽能更有效地利用起來，未來的能源危機便可望迎刃而解，全球變曖也可得到有效控制。因此，光合作用已成為開發新一代清潔能源的重要方向。世界主要國家都已充分認識到這一點，光合作用在未來清潔能源發展中的戰略地位空前提高。

揭示光合作用神秘機制，打開“綠色工廠”的大門，一探工廠內的生產機制，成了模擬天然綠葉的光合作用、生產清潔燃料解決未來能源問題的開局之戰。

開啟“綠色工廠”大門

常文瑞帶領的科研團隊經過6年時間，成功測定了“菠菜主要捕光復合物的晶體結構”，從而率先破解了這一國際公認的、具有高度挑戰性的科技前沿難題。

“主要捕光復合物是什么?它有怎樣的重要性?”面對記者的疑問，常文瑞解釋說，如果把葉片的一角切下來放大，發現綠葉由葉綠體組成；再放大，發現葉綠體內由一層層的類囊體膜組成；再放大，就會發現膜里鑲嵌著一團團由色素和蛋白組成的復合體。

“光合作用過程中的光反應，就是通過一系列這樣的由色素分子和蛋白質構成的復合體協作完成的?！背Ｎ娜鹫f，其中參與光能吸收、傳遞和光能轉換的兩類最基本的色素一蛋白復合體是：反應中心和捕光天線復合物。捕光天線復合物吸收太陽能并將其傳遞給反應中心；反應中心是光誘導的電荷分離引起的能量轉換的“工廠”。

“捕光是光合作用中最原初的過程，它包含了光能的吸收以及激發能向引起電荷分離的反應中心傳遞的過程?！背Ｎ娜鸶嬖V記者。

媲美“登月工程”的“人工葉”

基于目前對光合作用機理的認識，常文瑞告訴本刊記者：“利用光合作用中水裂解的機制，實現從水中獲得氫能源的理想，在2050年有望實現。”

最近，英國倫敦帝國學院啟動了一項金額達100萬英鎊的“人工葉”計劃，他們試圖創造一個可以模擬天然綠葉光合作用的人工系統，產生清潔燃料氫和甲醇，為燃料電池或環保汽車提供能量。

常文瑞告訴記者，歐洲科學基金會預計到2050年，在歐洲和一些別的地區大部分的燃料都將會從人工葉片中獲得，“他們認為，如果人工葉片計劃成功實現，意義可以媲美登月工程?！?/p>

“利用光合作用原理可以實現從光能到化學能的轉變，通過截流電子流直接生產電能，可以制造生物光伏電池。”他介紹，2004年，美國科學家已經在實驗室把葉綠素光電池變成了現實?？茖W家把菠菜的色素蛋白復合體做成“三明治”，當光線照射在這個“三明治”結構上時就會釋放電子，傳到下面的金屬層形成電流，其測得的太陽能轉化效率達到12％。

找到最合適、最有效的利用光源的微生物，或者制造培養出專門用來吸收光源的微生物，也是未來光合作用研究的突破點。

40多年前，人們發現在無氧條件下，植物會激活細胞內部一種可生成氫氣的酶——氫酶。如果這時讓這些藍藻照射陽光，便會產生氫氣。據估計，如果藻類光合作用的產氫效率能達到10％，那么5萬平方公里藻類接受太陽能放出的氫氣就可滿足美國的全部燃料需要。

但實際上，藍藻的產氫效率遠遠不能達到10％。光合作用分解水分子時放出的氧分子，會使氫化酶的活性降低，并最終使其停止工作。這就是為什么藍藻的放氫活動只能延續幾秒鐘，最多幾分鐘的原因。中國科學院植物所科研人員發明了微藻與需氧細菌共同培養技術，大大提高了藻類放氫效率。

在不斷深入研究光合作用機理的同時，常文瑞坦言“對光合作用的期待越來越多”。2009年年初的兩會期間，他向政協提交了《基于光合作用的能源和環保產業納入我國未來戰略能源規劃的建議》。

有理由相信，在不遠的2050年，將是光合作用大顯身手的時代。跟著菠菜捕捉陽光，將成為新能源產業的“制高點”。