楊春虹, 常文瑞

1.中國(guó)科學(xué)院植物研究所，北京 100093；2.中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，北京 100101

能源的現(xiàn)狀與思考

隨著社會(huì)的發(fā)展和能源的不斷消耗，地球儲(chǔ)存的能源已日趨枯竭，僅按最保守的估計(jì)，到2050年，世界的能源需求也將達(dá)到目前的2倍[1]，但現(xiàn)有的能源系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了可持續(xù)發(fā)展的需要。即使是按照當(dāng)前的能源消耗水平繼續(xù)下去，幾十年后，大部分人的基本生活問(wèn)題 (飲食起居等)都將會(huì)受到影響。同時(shí)，大量地使用化石能源已經(jīng)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。大氣中的CO2濃度持續(xù)升高，即便馬上采取一切可能的節(jié)能減排措施，到2030年，CO2的年排放量也將增至320億噸[2]，其中大部分來(lái)自發(fā)電所需的石油礦物燃料的燃燒和日益增長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的廢氣排放。能源作為經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和社會(huì)發(fā)展的必需條件，已日益受到世界各國(guó)的高度重視。尋找可再生的清潔能源，無(wú)論對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，都是維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提，是人類(lèi)社會(huì)繼續(xù)存在和發(fā)展的先決條件[3]。

事實(shí)上，各國(guó)政府均有各自未雨綢繆的新能源計(jì)劃。我國(guó)政府最近公布了新的核電、風(fēng)電和石油存貯基地的建設(shè)計(jì)劃，這無(wú)疑是我國(guó)能源發(fā)展規(guī)劃的一個(gè)重要組成部分，是一項(xiàng)非常及時(shí)和正確的決策。而從中長(zhǎng)期來(lái)看，取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能應(yīng)該是最重要和最基本的能源。太陽(yáng)每天灑向地球表面的能量是當(dāng)前地球上所有形式儲(chǔ)能的總和，而每個(gè)小時(shí)灑向地球表面的能量就達(dá)到了目前地球上一整年所消耗能量的總和。因無(wú)窮無(wú)盡而又清潔廉價(jià)，太陽(yáng)能成為了人類(lèi)最理想的能源。這也正是人們將開(kāi)發(fā)新能源的期望主要寄托于利用太陽(yáng)能之所在。然而,我們不能不承認(rèn)，與人類(lèi)已經(jīng)或計(jì)劃啟動(dòng)的開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的方案相比，大自然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而造就的通過(guò)光合作用直接固定太陽(yáng)能的系統(tǒng)[4]，才是利用太陽(yáng)能的最好生物原型。從上世紀(jì)末開(kāi)始，世界各國(guó)對(duì)利用光合作用生產(chǎn)清潔能源的探索和實(shí)踐越來(lái)越重視，并對(duì)其應(yīng)用前景越來(lái)越充滿(mǎn)信心。

利用光合作用生產(chǎn)清潔能源的理論基礎(chǔ)

光合作用是從古到今無(wú)所不在地存在于高等植物乃至原核生物中的自然現(xiàn)象，億萬(wàn)年來(lái)，從未間斷地利用所吸收的太陽(yáng)光的能量分解H2O，固定空氣中的CO2，并產(chǎn)生O2和碳水化合物。這一過(guò)程不僅供給了地球上一切生物生存所需的能量和氧氣，同時(shí)也賦予了人類(lèi)寶貴的財(cái)富——煤炭、石油和天然氣。光合作用是地球上固定太陽(yáng)能最有效的過(guò)程，每年通過(guò)光合作用固定的生物質(zhì)可達(dá)2200億噸，相當(dāng)于全世界每年能耗的10倍。

經(jīng)過(guò)35億年的進(jìn)化和發(fā)展，光合作用已形成了一整套高效率固定和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的機(jī)制。光合作用固定太陽(yáng)能的過(guò)程是通過(guò)葉綠體的類(lèi)囊體膜完成的，由葉綠素 (Chl)或類(lèi)胡蘿卜素捕獲太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)化為固定CO2、合成碳水化合物及O2過(guò)程中所需的化學(xué)勢(shì)和生物能。為了高效地吸收和傳遞能量，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，光合器官形成了高效捕獲和傳遞太陽(yáng)能的能級(jí)偶聯(lián)系統(tǒng)，即所謂的“能量陷阱”[5]，這個(gè)“能量陷阱”由兩個(gè)光反應(yīng)中心及各自的天線(xiàn)系統(tǒng) (PSⅠ和PSⅡ)組成，其所結(jié)合的近500個(gè)Chl，形成了排列于兩個(gè)光反應(yīng)中心的色素-蛋白超分子體系中且能夠高效吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的精細(xì)能級(jí)偶聯(lián)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光能從光系統(tǒng)外圍的捕光色素蛋白復(fù)合體 (light harvesting complex，LHC，即捕光天線(xiàn))到光反應(yīng)中心的迅速傳遞[6,7]。光合膜在長(zhǎng)期的進(jìn)化中形成了能夠多層吸收和傳遞能量的垛疊結(jié)構(gòu)。類(lèi)囊體膜的基粒片層將密集的LHC單分子層疊成一個(gè)垛疊結(jié)構(gòu)，從而增加了太陽(yáng)光的吸收路徑，保證了更高地吸收和傳遞能量的效率[5]。所以，光合膜以其精密的二維色素偶聯(lián)和三維垛疊結(jié)構(gòu)，成為地球上最有效的吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的系統(tǒng)。如果可以利用光合作用的原理，體外模擬光合作用過(guò)程，更加有效地固定太陽(yáng)能，并高效地儲(chǔ)存所固定的太陽(yáng)能，將給人類(lèi)帶來(lái)一個(gè)取之不盡、用之不竭的新能源體系。隨著對(duì)光合作用的深入研究，已取得的成果，特別是在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)方面的研究進(jìn)展，促進(jìn)了人們對(duì)光合作用原理的理解和認(rèn)識(shí)，并為闡明自然界光合作用有機(jī)體的結(jié)構(gòu)及其分子調(diào)控機(jī)理提供了大量數(shù)據(jù)，為模擬光合作用奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)[8]。利用光合作用的原理,大規(guī)模地固定太陽(yáng)能，分解H2O而產(chǎn)生H2，或者截獲光合作用產(chǎn)生的電子而形成電流，已成為各國(guó)有關(guān)科學(xué)家們共同追求的目標(biāo)。很多國(guó)家已將模擬光合作用過(guò)程用于直接固定太陽(yáng)能，以實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)能到清潔燃料的大規(guī)模轉(zhuǎn)換?？梢?jiàn)，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的新能源體系，定會(huì)成為未來(lái)新能源戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

國(guó)際上有關(guān)的研究計(jì)劃與進(jìn)展

發(fā)展光合作用的仿生研究，構(gòu)建新型的太陽(yáng)能生物轉(zhuǎn)化體系，已成為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的研究重點(diǎn)。歐盟的權(quán)威科學(xué)家們指出，以光合作用利用的太陽(yáng)能所驅(qū)動(dòng)的環(huán)境潔凈型電能、氫能源或者其它燃料的生產(chǎn)，將成為滿(mǎn)足全球能量需求并實(shí)現(xiàn)能源長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑。因此，他們大力主張歐盟組織及其成員國(guó)投入巨額資金進(jìn)行研究[1]。2008年，歐盟組織八個(gè)成員國(guó)的科學(xué)家，啟動(dòng)了仿效光合作用的太陽(yáng)能光生物利用計(jì)劃。該計(jì)劃包括三大研究方向：1)生物材料光伏技術(shù)的研究，利用該技術(shù)可直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?)模仿光合作用，利用太陽(yáng)能裂解H2O而產(chǎn)生高效低污染的燃料；3)改造生物固能途徑，生產(chǎn)諸如甲醇等的燃料。這一計(jì)劃也被稱(chēng)為“人造葉片”計(jì)劃[1]。同時(shí)，美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室也啟動(dòng)了模擬光合作用的太陽(yáng)能光生物制氫研究計(jì)劃；麻省理工學(xué)院開(kāi)始了一個(gè)能源啟動(dòng)計(jì)劃；2010年，美國(guó)能源部又啟動(dòng)了“人工光合作用聯(lián)合中心 (Joint Center for Artificial Photosynthesis，JCAP)研究計(jì)劃”，目的在于模擬自然界的光合作用，構(gòu)建光合系統(tǒng)仿生元件，并將其組裝成太陽(yáng)能電池系統(tǒng)。此外，澳大利亞也很重視太陽(yáng)能光生物利用方面的研究，成立了“澳大利亞人工光合作用網(wǎng)絡(luò)” (Australian Artificial Photosynthesis Network)，致力于發(fā)展有效的太陽(yáng)能光生物利用技術(shù)。

利用葉綠素構(gòu)建生物太陽(yáng)能電池的研究已經(jīng)取得了一定的成果。美國(guó)科學(xué)家提取菠菜葉綠體中的光系統(tǒng)Ⅰ，利用它們轉(zhuǎn)化光能的特性，制成了葉綠素太陽(yáng)能電池。這種電池有21天的壽命，轉(zhuǎn)化光能的效率達(dá)到了12%[9]。瑞士和日本的科學(xué)家已經(jīng)研究出能夠模擬植物葉綠素的人工色素[10]，并將其與從葉綠體中分離的蛋白進(jìn)行組裝，做到了既能吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生電能，同時(shí)又能分解有機(jī)物而產(chǎn)生H2[11,12]。澳大利亞科學(xué)家Hingorani等[13]利用低等植物光系統(tǒng)Ⅱ組裝出了一種色素-蛋白超分子體系，這一體系具有體外電子傳遞通道的特性，從而將利用光合膜蛋白組裝生物太陽(yáng)能電池的研究又推進(jìn)了一步。2008年，Kanan等人[14]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合化學(xué)催化劑，經(jīng)過(guò)組裝后，可以模擬光合作用，在常溫和常壓下裂解H2O而獲得O2和H2。Ham等人[15]通過(guò)原位無(wú)細(xì)胞表達(dá)方法，在電極表面直接組裝蛋白，實(shí)現(xiàn)了生物太陽(yáng)能電池的可再生性。雖然生物太陽(yáng)能電池的研究還處在基礎(chǔ)研究階段，但取得的成果已大大推動(dòng)了利用光合作用原理將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換成人類(lèi)可利用能量的進(jìn)程。

模擬光合作用生產(chǎn)清潔能源的可能方案

光合作用吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換能量的過(guò)程，給我們提供了直接固定太陽(yáng)能、產(chǎn)生人類(lèi)可利用能量的思路。比如，植物具有能夠自組裝的捕光天線(xiàn)，在類(lèi)囊體膜上具有長(zhǎng)壽命電荷分離狀態(tài)；一些海藻和藍(lán)細(xì)菌能利用太陽(yáng)能裂解H2O而產(chǎn)生H2；對(duì)于植物和細(xì)菌，它們固定CO2而產(chǎn)生碳水化合物的過(guò)程可以進(jìn)行遺傳學(xué)改造等。這些現(xiàn)象，為我們利用光合作用的機(jī)理固定太陽(yáng)能、建立可持續(xù)的太陽(yáng)能-燃料人工轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。分析光合作用固定能量的關(guān)鍵反應(yīng)鏈，模擬光合作用固定太陽(yáng)能，從而生產(chǎn)人類(lèi)所需要的清潔能源的研究主要集中在以下四個(gè)方面[1,16]：1)利用光合膜色素蛋白復(fù)合體吸收太陽(yáng)能，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子，進(jìn)而分解H2O；或利用電荷分離的原理和光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成清潔燃料和電能。2)通過(guò)模擬光合作用，建立人工化學(xué)和生物模擬裝置，收集、轉(zhuǎn)化和利用太陽(yáng)能。如通過(guò)裂解H2O和轉(zhuǎn)化空氣中的CO2等方法生產(chǎn)各種形式的清潔燃料。3)通過(guò)基因工程改造光合作用的固碳過(guò)程，引導(dǎo)生產(chǎn)清潔燃料 (如H2或甲醇)。4)利用光合作用原理，將太陽(yáng)能直接高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)，不僅可產(chǎn)生能源，還可固定大氣中的CO2，使CO2的濃度回到前工業(yè)時(shí)代的水平。

綜上所述，在太陽(yáng)能-清潔燃料研究過(guò)程中，模擬和利用自然界生物系統(tǒng)捕獲太陽(yáng)能的方式有多種，無(wú)論是通過(guò)哪種途徑獲得清潔燃料，都具有極其重要的意義。而要實(shí)現(xiàn)這種模擬，我們首先要了解自然界光合膜色素蛋白復(fù)合體系統(tǒng)的功能和作用機(jī)理，然后才能去模擬它的某個(gè)部分，包括天線(xiàn)系統(tǒng)、反應(yīng)中心的電荷分離及電子氧化的催化部位等。

模擬自然界光合作用的過(guò)程，尤其是光系統(tǒng)Ⅱ的作用過(guò)程，具有很大的難度和挑戰(zhàn)性。目前世界上的研究熱點(diǎn)之一，就是植物利用光系統(tǒng)Ⅱ中的錳簇復(fù)合物將H2O裂解為O2和H2的機(jī)制，且已經(jīng)取得了很重要的進(jìn)展。許多科學(xué)家相信，隨著這一研究領(lǐng)域上的突破，最晚到2050年，即會(huì)有人工光合作用系統(tǒng)問(wèn)世，并實(shí)現(xiàn)“人工葉片”的商業(yè)化應(yīng)用。

我國(guó)的光合作用基礎(chǔ)研究與生物能源應(yīng)用的探索

我國(guó)政府對(duì)能源問(wèn)題一直高度重視，從科學(xué)研究的投入到具體規(guī)劃都已經(jīng)做出了戰(zhàn)略部署。胡錦濤總書(shū)記在中共十七大報(bào)告中指出了我國(guó)能源發(fā)展的方向，即加強(qiáng)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，發(fā)展清潔能源和可再生能源。中國(guó)科學(xué)院明確提出，爭(zhēng)取在2050年前后，使可再生能源和核能成為我國(guó)的主導(dǎo)能源。而要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們必須在光合作用的基礎(chǔ)理論研究，以及模擬光合作用和尋找新型能源這兩方面投入研究力量。

探索光合作用機(jī)理的研究將為模擬光合作用、構(gòu)建新型可再生能源體系打下理論基礎(chǔ)。在這方面，我國(guó)科學(xué)家已開(kāi)展了多年的探索。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所在光合作用的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方面已有良好開(kāi)端，研究工作正在深入，他們解析的光系統(tǒng)Ⅱ捕光色素蛋白復(fù)合體的原子水平結(jié)構(gòu)，為能量吸收和傳遞機(jī)制的研究及人工模擬提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[8]，并為探討光保護(hù)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)[17]。捕光蛋白的結(jié)構(gòu)解析，第一次提出了該蛋白在囊腔端的結(jié)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院植物研究所又在此基礎(chǔ)上證明了這一結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的功能具有分子開(kāi)關(guān)作用[18]。同時(shí)，植物所還構(gòu)建了體外表達(dá)、修飾和組裝所有捕光色素蛋白復(fù)合體的體系，系統(tǒng)地研究了捕光色素蛋白復(fù)合體所結(jié)合的捕光色素的光譜特性、不同色素間能級(jí)偶聯(lián)的規(guī)律、不同光合膜色素蛋白復(fù)合體超分子體系間的能量傳遞，以及光合膜色素蛋白復(fù)合體高效吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換能量的原理[19]，這些基礎(chǔ)研究為我們將來(lái)利用光合作用原理、體外模擬固定太陽(yáng)能打下了基礎(chǔ)。

在模擬光合作用機(jī)理進(jìn)行新型可再生能源研究方面，我國(guó)還處于基礎(chǔ)階段。中國(guó)科學(xué)院于2009年啟動(dòng)了“中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃”，將光生物轉(zhuǎn)換列為重要的研究方向。2008年，中國(guó)科學(xué)院就建立了植物所、上海技術(shù)物理所、國(guó)家納米中心和化學(xué)所共同參加的生物光伏轉(zhuǎn)化研究小組，啟動(dòng)了以光系統(tǒng)Ⅱ捕光色素蛋白復(fù)合體為主體的生物太陽(yáng)能電池方面的研究，目的在于構(gòu)建以光合膜色素蛋白復(fù)合體超分子體系為主體的固體多層光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，建立植物光合作用能量仿生應(yīng)用的理論體系。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所利用基因工程技術(shù)改造產(chǎn)油微生物、構(gòu)建光合產(chǎn)油菌的研究已有很好的基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所、水生生物研究所和海洋研究所等單位，在微藻生物轉(zhuǎn)化制造油脂、利用藻類(lèi)代謝產(chǎn)氫等方面進(jìn)行了大量的研究；植物研究所建立了用于相關(guān)研究的微藻突變體庫(kù)，并開(kāi)展了技術(shù)體系的研究。鄭州大學(xué)也開(kāi)展了海水養(yǎng)殖和利用鹽藻的研究。這些研究都為在我國(guó)構(gòu)建模擬光合作用的大規(guī)模新型可再生能源系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，科技部也組織啟動(dòng)了相應(yīng)的研究項(xiàng)目。相信在政府的大力支持下，我國(guó)科學(xué)家將為揭示光合作用機(jī)理、模擬和利用光合作用理論及開(kāi)發(fā)新型可再生清潔能源做出貢獻(xiàn)。

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