制作一片“樹葉”來發電

成琳嵐

當美籍華裔化學家楊培東第一次將帶電的硅線連接到有生命的有機體上時，沒人認為這會帶來什么研究成果。當他第一次提出這個構想時，人們根本不相信這會行得通。

可事實卻讓人們大吃一驚。楊培東的實驗和其他一些學者的研究表明：一些有機生物體不僅能在電子束中存活下來，還能維持生命長達幾周的時間。楊培東的實驗激發了學界的一種期待——通過生物學與電學的結合，最終解決一個大難題：怎樣將免費的太陽能轉換成既便宜又清潔的綠色能源？

不僅如此，通過制造微生物，將人類最先進的采光技術與自然界利用太陽能的主要方式——光合作用相結合，我們也許還能夠創建一些微小的綠色工廠，并從中提取出許多有用的化學物質。

科學家認為，大自然“知道”怎樣產生化學反應，而人類知道如何發電，那么，如果能把這兩者結合起來，其研究和應用前景將非常廣闊。

像植物那樣利用太陽能

其實，人類收集利用太陽能的渴望與研究從100多年前就開始了。早在1912年就有科學家提出：人類是否能像植物那樣采集并利用太陽能？在此之前，人類文明幾乎都只是利用化石燃料。如果能夠更好地利用太陽的輻射能，對人類來說，是否又是一次新的跨越？

在過去的一個世紀里，人類所用的能源大部分都來自原油和煤。然而，100多年的工業化進程引發了許多環境問題：二氧化碳在大氣中的濃度越來越高，全球變暖加劇，極端天氣情況越來越多，海平面上升，環境污染等等。這一切都在催促人類采用更清潔的能源。

—個世紀很快過去了，或許我們已經部分實現了100年前科學家利用太陽能的愿景。如今，由剛性硅晶體制成的普通的太陽能電池板可將照射在上面的15%～20%的太陽光轉化成電能，然后用電池儲存起來。其他類型的太陽能電池也是既使用方便又價格便宜，其轉換效率也在提高。相比之下，植物的能耐反而顯得不值一提：植物將太陽能轉化為化學能的效率最大理論值只有45%，而實際轉化效率更低，甘蔗的轉化率稍高一點，也就4%左右，現實中植物的轉化率通常都只有1%。

然而，這樣的比較忽略了一個重要的問題，即太陽光并非全天候照射。太陽只在白天照射，而即使是白天，陽光在很多時候還會被云層遮住，這就使得光伏電池產生的電流變得斷斷續續。雖然我們能夠采用光伏電池很好地存儲并再次利用這些電能，但光伏電池不僅價格昂貴，體積龐大，而且每次充電都會消耗掉一些電能。此外，廢棄電池的處理也會帶來新的環境問題。

植物光合作用示意圖

植物在這方面卻具有絕對的優勢。為了應對日落之后沒有陽光照射的問題，植物演化出了自己的妙招：將白天接收到的太陽能轉化為化學能，這種儲能不是基于帶電粒子，而是用化學鍵來儲存能量。換句話說，是植物自己制造燃料！植物自己制造燃料比起電池來，具有更大的存儲容量;而且，自然界也沒有足夠的空間來容納那么多儲能電池。因此，植物自己制造燃料來貯存能量，可真是個便捷又經濟的妙招！

不過，要想完全用人工系統來復制植物的光合作用，難度太大。植物通過吸收水分并利用太陽的能量將其分解為氧氣、電子和帶正電的氫離子（也稱為質子）。然后，這些質子和電子會與二氧化碳相結合而生成糖。整個過程都伴隨著生成一些具有復雜化學結構的生物分子，這一點是人工設計出來的系統所難以做到的。

人造“樹葉”

盡管如此困難，科學家卻從未停止對復制植物光合作用探索的腳步。現在，美國哈佛大學化學家丹尼爾·諾塞拉可能是在這方面走在最前面的人。2011年，他便推出了被認為是當時世界上最好的人造“樹葉”，即“人工光合作用系統”。該“樹葉”設計簡單，所需部件也十分便宜。比起真實的樹葉，它看起來更像是一枚閃亮的灰色郵票。實際上。這是一個浸有催化劑的硅片。在陽光下將這片“樹葉”放入水中，其周圍便會形成氧氣和氫氣氣泡。這些氫便是關鍵。它是一種可以轉移到加壓燃料罐或者燃料電池中的燃料，可以隨時將其轉換為電能（見下圖所示）。

諾塞拉的研究令人叫絕，但仍不足以推動能源革命。盡管氫的確是一種燃料，氫經濟的夢想已有多年，但其進展現在已幾近停滯。其中的原因：一是因為將氫轉化為電能的燃料電池要依賴昂貴且稀有的金屬（如鉑金）來做催化劑;二是因為人類社會中已經存在有大量的基于碳基液體燃料的基礎設施，氫燃料并不能很好地與這些設施相匹配，而將這些基礎設施全部替換重來，又是不現實的。

植物卻完全沒有我們所面臨的這些麻煩，因為植物可以將采集到的能量轉化存儲為糖，自身再將糖代謝掉。科學家們一直期望研制出一種人工光合作用系統，讓它能夠產出適合我們現有基礎設施的燃料。雖然這種生物燃料在燃燒時會產生二氧化碳，但由于人工“葉片”會首先吸收二氧化碳。因此凈排放量將接近于零。

遺憾的是，我們還未能做到最后一步。盡管我們已經知道如何利用光伏技術很好地利用太陽能發電，但我們還不知道如何將太陽能轉化為碳基燃料。

天然樹葉

白天，植物會吸收水和二氧化碳，并利用光和大量酶將其轉化為氧氣和糖。

絕色機器 新一代陽光收集器將比以往更高效。

人造樹葉

合成的葉片具有半導體，可以吸收光來產生電子及催化劑，并從水中攝取質子，最終將它們結合來制造氫。

仿生樹葉

將光收集技術與微生物相結合的產物有一種設計是，將人造樹葉所產生的氯傳遞給微生物，并使其產生有用的化學物質。

半機械半生物的光合作用系統

于是，一個新的構想產生了。既然植物是控制燃料合成的生物化學大師，而人類在制造電子方面又更勝一籌，那么，是否可以將兩者相結合。創造一種半機械半生物的光合作用系統呢？

2011年時，諾塞拉與生物工程學家希爾弗合作，將仿生樹葉產生的氫氣與土壤中的一種以氫為食的細菌（真氧產堿桿菌）配對，再與二氧化碳相混合，就能生成生物燃料。希爾弗還對該細菌的基因組進行了改造，使其能夠產生各種液態酒精燃料。

不過，諾塞拉開發的制氫催化劑在實驗過程中產生了高反應性的氧原子，以至于破壞了細菌的生化機制，使其在數小時內便死去了。還好，在2016年諾塞拉團隊又發現了一種新的催化劑，它可以與微生物很好地發揮作用，從而使其人工光合作用系統比之以前的系統更加便捷高效，可將陽光中高達10%的能量轉化為燃料。

此時，楊培東也開始了用微生物與電直接進行實驗的探索。他想比諾塞拉走得更遠：直接用電子養活微生物，而不是用氫。若是在十年前，科學界是完全想不到這一點的。但最近有科學家發現，某些類型的細菌可以通過直接攝入電子，并依靠純電力生存;某些微生物（如地桿菌屬）甚至可以吸收電子，并將其用于化學反應。但楊培東想要做得更為精彩。

在2013年，楊培東團隊發現，某些類型的非光合細菌可以在進行光采集的硅納米導線上生長。兩年后他們又發現，納米導線可以將電子直接轉移到細菌中，而且這些細菌似乎對這一安排十分滿意——它們可以吸收電子，并利用二氧化碳和水，與氫、碳和氧生成液嫩燃料（例如乙酸鹽等）。

楊培東也開始了用微生物與電直接進行實驗的探索。

仿生樹葉還可以生產出許多重要的化學物質

隨后，戲劇性的一幕發生了。楊培東團隊啟用了另一種非光合作用細菌——熱乙酸摩爾氏菌，它能自行生產乙酸鹽。將這種細菌與包括鎘離子和氨基酸半胱氨酸在內的多種化學物質混合后，奇異的事情出現了：細菌表面上出現了由硫化鎘形成的吸光顆粒。這說明細菌似乎用這些化學物質制成了自己的太陽能收集外套！楊培東對此解釋道：人工制造半導體納米陣列需要付出很多努力，但細菌竟然自己創造了一個半導體表面。這就是一個由太陽能驅動的細菌燃料工廠，而且這樣的工廠還可以進行自我復制！

不過，關于耐久性的問題依然存在。到目前為止，吸收電子的細菌在楊培東的設備中只能存活數周。楊培東團隊正專注于了解細菌的生化過程，希望有助于提高整個系統的效率。目前該系統的轉化效率還只在Z5%。

實際上，目前仿生樹葉所引起的關注點還不僅僅在制造燃料上，更令人興奮的是，仿生樹葉還可能生產出許多人類所需的其他化學物質。

氨的分子結構。仿生樹葉還可能生產出許多人類所需的化學物質。

以氨為例。氨是由氮原子和氫原子組成的分子，也是一種重要的肥料和化工原料，僅在2016年全球就使用了約1.66億噸的氨。然而，目前氨的制備仍在使用百年前耗能極高的“哈伯工藝”，其生產過程會產生大量二氧化碳。

現在，有科學家發現了某些類型的細菌可將空氣中的氮轉化為氨的生化機制。科學家將這些細菌放入特定溶液中，通過注入氮氣，并添加硫化鎘半導體，由此獲得了一種類似被解構變形的人造光合作用系統，該系統可以有效地從陽光中產生氨。并且，實驗設計中去除了活細胞以降低其復雜性，僅僅使用一種固氮酶（一種能夠將氮分子還原成氨的酶）便可開啟整個反應。

不過，要從細菌中純化固氮酶是個非常耗時的過程，因此不大可能擴大規模并最終應用到實際生產中。為此，科學家想合成易于處理的人工替代物來模擬固氮酶。

楊培東所追尋的研究方向并非去解構細胞，而是將整個系統進行更為精細的設計。目前，楊培東團隊所培養的“樹葉”是由簡單細胞與包裹在膜中的一系列酶及生物機械的組合。在這個基礎之上，逐步往該組合中添加某些目標產物轉化所必須的物質，使得整個系統最終成為一條可以生產復雜化學物質的細胞生產線。

諾塞拉對此很贊同。他認為，人們可以考慮將其作為一個通用的可再生化學合成平臺。因為可以對細菌進行基因操作，所以人們能夠利用這一平臺來生產塑料、藥物或某些化合物等必需品，而如果用以往的辦法去人工化學合成這些物質，則需要消耗大量燃料。因此，這種新技術在經濟上是可行的，且隨著技術進步，成本還會逐漸下降。

讓未來太空旅行不再遙遠

美國宇航局對這樣的構想也非常認可。楊培東等科學家正在進行一些新的研究項目，期望能夠利用生物有機體為宇航員生產一些諸如食品、燃料及氧氣等必需品。這些研究項目將利用楊培東的仿生樹葉，在太空環境下實現人工固氮。即利用氮和二氧化碳來生產氨，給太空中的糧食作物做肥料，并提供氧氣。在地球上，燃料很重要，但在太空中，氧氣卻是性命攸關的。

科學家發現，火星上面的大氣9B%都是二氧化碳，而剩下的多是氮氣。那么，在火星上進行人工光合作用比在地球上容易得多，氮氣則可以被固定下來做肥料。如果能將整個人工光合作用體系應用于固定二氧化碳和氮氣的話，那么，既解決了太空旅行中的化學品問題，也解決了能源問題，還解決了在外太空種植作物所需要的肥料問題。

現在，楊培東甚至已經開始構想建立一個將不同類型、不同功能的仿生細胞結合在一起的系統。該系統可能更像一種有機體。例如，當系統中負責感應的細胞察覺到氧氣供應不足時，機體便會增強其葉細胞的光合作用——制造氧氣。

自楊培東首次嘗試將細菌與電連通以來，科學家已經走過了很長一段探索之路。諾塞拉等科學家對未來的科技發展充滿信心。他認為，我們已經離科幻電影《火星救援》所描繪的場景越來越近。也許有一天，仿生樹葉真會在另一顆星球上開心地吸收電子呢！