光合作用也有逆運算

安彥箐

在中學生物課上，丹麥學生克勞斯·菲爾拜學習了光合作用。他突發奇想，既然能量守恒、物體三種狀態都可以相互轉化，那么光合作用一定也是可逆的。當他把自己的想法告訴老師和同學們時，遭到了大家的嘲笑。但克勞斯沒有因為別人的不認可而放棄自己的想法，他開始著手研究各種植物的葉子。顯微鏡、解剖剪、鑷子、酒精燈、錐形瓶、各類生物學書籍……成了他最密切的伙伴。

隨著對植物葉綠體和光合作用機理的深入研究，克勞斯·菲爾拜打開了一扇神奇的門，走進了綠葉的微觀世界。他發現自然界真的比人類智能得多。比如長有綠色葉子的植物能夠捕獲太陽的能量，并將其轉化為有用的化學燃料，這一過程遠比人類發明的光電太陽能電池板要高明、高效得多。

盡管光合作用在各種教科書中都有詳盡的闡述，但是想人工實現這一過程卻絕非易事，主要問題在于缺少有效電解水的媒介。綠葉植物能實現這一化學反應，是因為它有偉大的媒介——葉綠體。

目前，許多科學家在嘗試人造光合作用，但成果并不樂觀，因為人工光合作用面臨著三大難題：如何捕捉太陽能；如何以電子的形式將太陽能轉運到反應中心；如何在光合作用的循環過程中補充電子。其中，前兩個難題已經基本得到了解決，但第三個難題至今無解。

成為哥本哈根大學教授的克勞斯·菲爾拜一直沒有放棄這項研究。經過多年的探索，他更深入地了解到光合作用的神奇之處，發現了逆向光合作用的真實存在，只是苦于一直找不到分解生物量、創造化學物質和能量的催化劑。

光解反應對催化劑要求極為苛刻，在經過無數次試驗后，2016年4月，克勞斯發現一種叫做單氧酶的天然酶，能促使太陽能分解植物生物量，產生化學物質和能量。經過反復驗證后，他成功實現了植物中的酶利用大氣中的氧氣和陽光分解和轉化碳鍵，這個過程和一般光合作用中產生可以促進生長的能量和釋放氧氣的過程正好相反——這正是光合作用的逆向反應！克勞斯·菲爾拜在中學時曾被大家嘲笑異想天開的怪想法，竟在眼皮底下真實地發生著！

根據克勞斯·菲爾拜研究團隊成員艾麗莎·納瓦羅的介紹，這個過程在陽光下只需要5到10分鐘。如果沒有陽光，則需要24小時才能完成同樣的能量轉換。也就是說，利用太陽能可以直接分解植物，并轉化成人類生存所需的能源。這項發現，對生物燃料、塑料和其他工業產品的制造方式都產生了重大影響。通過逆向光合作用，工廠可以加快生產速度，同時降低污染排放——如果我們想繼續生活在科技不斷發展的地球上，做到這一點意味著人類將開創新紀元，對環境保護、科技發展都將是巨大的貢獻。

雖然這項發明讓我們對環境保護和科技進步重拾信心，但是研究者們仍然要投入大量工作，才能讓它服務于我們的日常生活。如果今后地球不再有環境問題，能源問題不再威脅人類的生存，或許你會想起那個中學時代異想天開，并且一輩子都在堅持研究光合作用的老教授吧！