葉蟲

眾所周知，能源問題一直是世界各國爭端的根源之一。為了爭奪能源，國家之間常常發(fā)生戰(zhàn)爭。

那么，新的科學發(fā)展能不能徹底扭轉(zhuǎn)能源短缺的局面，從而減少戰(zhàn)爭的威脅呢？

壞消息是，我們現(xiàn)在主要依靠的燃料依然是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這是不可再生資源。然而照現(xiàn)在人類持續(xù)增加的能源消耗量來看，化石燃料在將來的某一天必然枯竭。

好消息是，除了太陽能等新能源，近幾年科學家們憑著突破思維的想象力和不斷鉆研的科學精神，已經(jīng)研究出了一種二氧化碳排放量接近于零的新型可再生能源——仿生葉子。這是一種模仿植物光合作用，利用微生物和電流來產(chǎn)生燃料以及其他人類所需的化合物的仿生技術(shù)。

但是十年前，科學界根本沒人相信這樣的研究可以成功。那么，仿生葉子走過了怎樣的發(fā)展歷程，在未來到底能不能取代化石燃料以及其他稀有能源呢？

一百多年前的預言

首先，我們來看一個一百多年前的預言。

1912年9月27日，最早進行光化學反應研究的意大利科學家恰米奇安在第八次國際應用化學會議上發(fā)表了他的預言：未來世界，將會用太陽光伏作為能源——在干旱地區(qū)將會涌現(xiàn)沒有煙囪的工廠；玻璃管的森林將在地平線上不斷延伸，玻璃建筑將無處不在；人類將模仿光合作用，為自己提供比大自然提供的更加豐富的合成食物。只要陽光普照，即使煤炭枯竭，人類文明也不會停止，生命和文明將繼續(xù)下去。

時光飛逝，作為太陽能電池的主流材料——晶體硅已經(jīng)廣泛應用于市場。平均每個固態(tài)硅晶體已經(jīng)可以將撞擊在其上的太陽光子的15%～20%轉(zhuǎn)化為電能了，而且其他便宜又可以隨意取用的太陽能也得到飛速的發(fā)展。可以說，恰米奇安關(guān)于光伏的預言已經(jīng)一步步實現(xiàn)。

然而，太陽的光照不是恒定的，它只有在白天照射地球的一面，而且有時還躲在云層背后，使光伏電池產(chǎn)生的電流呈現(xiàn)出間歇性的特征，這給我們的生產(chǎn)與生活帶來極大的不方便。

相較硅晶體太陽能轉(zhuǎn)化率高達15%～20%而言，恰米奇安預言中提到的模仿植物的光合作用制造化合物并沒有得到人們的重視。因為理論上講，植物最大只能將4.5%的太陽能轉(zhuǎn)化為生物量；而實際上，其轉(zhuǎn)化成功率大約只有1%。

但是，植物的光合作用可以解決太陽光照不穩(wěn)定的問題。植物的儲能方式不是基于帶電粒子，而是化學鍵。它們將能量以糖的形式儲存起來，方便它們新陳代謝。換句話說，它們制造的是燃料。

諾切拉的第一片葉子

怎樣才能模仿植物的光合作用，環(huán)保地制造出燃料呢？

美國哈佛大學的諾切拉教授是第一個開始研發(fā)復制光合作用的人。2011年，他研制出了當時最好的人造葉子系統(tǒng)——一片充滿催化劑的硅晶體。與其說是葉子，它看起來更像一張發(fā)著灰色光的郵票。將它扔進有充分光照的水里，它可以利用太陽光轉(zhuǎn)化成的電來進行電解水反應，把水分解成氧氣和氫氣，其中氫氣可以用來做燃料。但以氫氣為燃料很不實用，一是氫氣體積大，不好壓縮，很難儲存和運輸。二是使用不方便，危險性也很大，所以科學家又繼續(xù)想辦法。

有了硅晶體葉子的基礎(chǔ)，諾切拉和哈佛大學的生物工程師帕梅拉·斯維爾一起工作，將2011年造出的遇水分解氫氣的人造葉子和一種叫做真氧產(chǎn)堿桿菌的土壤細菌配在一起。這樣可以讓細菌吃掉氫氣和二氧化碳，吐出一種碳基液體燃料。他們還對真氧產(chǎn)堿桿菌的基因進行修補，使其能生產(chǎn)不同的液態(tài)乙醇燃料。

然而，諾切拉和斯維爾的實驗雖然成功了，但只是勉強成功。這些幫助人造葉子產(chǎn)生氫氣的催化劑，同時產(chǎn)生了一種極其活躍的氧原子。由于這些氧原子太過活躍，干擾了真氧產(chǎn)堿桿菌的生物化學機制，并在幾個小時內(nèi)殺死了這些細菌。

一次實驗的失敗并沒有阻擋諾切拉的腳步。在2016年，諾切拉和他的團隊發(fā)現(xiàn)了一種對細菌友好的新催化劑。這種催化劑不再干擾細菌的工作并殺死細菌，用它造出的葉子成本不但更低，而且工作效率非常高——能將10%的太陽能轉(zhuǎn)化成燃料。

但是，這項技術(shù)的成本仍然比生產(chǎn)煤氣、開采石油要高。

吃電的微生物

所以，除了用催化劑和電產(chǎn)生氫氣喂給微生物，還有沒有其他更高效直接的辦法呢？

美國亞利桑那州立大學研究太陽能采集的摩爾的團隊發(fā)現(xiàn)：有些類型的細菌本身就可以在凈電荷作用下通過直接注入電子來生存。比如，有一種叫地桿菌的微生物可以吃掉電子，并用這些電子來進行化學反應。

順著這種思路，美籍華裔納米材料專家楊培東在2013年將一種非光合作用細菌（自身無法吸收光能的細菌）連接到了可以吸收光能的硅納米線上，結(jié)果它們不僅在遇到硅線內(nèi)由太陽能直接轉(zhuǎn)化而來的原始電子后幸存了下來，而且可以生長數(shù)周之久。

經(jīng)過2年的實驗，這個團隊利用這種吃電子的微生物，把二氧化碳和水合成了液體燃料，例如由碳、氫、氧構(gòu)成的醋酸酯。

然而，人工生產(chǎn)納米硅的成本較高，所以為了降低成本，這個團隊又用另一種非光合作用細菌——會自發(fā)合成醋酸酯的熱醋穆爾氏菌做實驗，向其添加含有可以把光能轉(zhuǎn)化為電能的化學混合物。結(jié)果，在熱醋穆爾氏菌表面產(chǎn)生了能吸收光的物質(zhì)。也就是說，熱醋穆爾氏菌給自己造了一件半導體結(jié)構(gòu)的太陽能外套，憑借這件外套，它們便可以自由地獲取由太陽能轉(zhuǎn)化而來的電子。由于細菌可以繁殖，它們簡直是會自我復制的微型太陽能燃料工廠。

目前，這些“葉子”都是由單細胞生物構(gòu)成的生物機器，但如果能使這些單細胞生物進化成復雜細胞，那么最終我們得到的復雜細胞會像一條生產(chǎn)線一樣去做更多化學合成，制造出任何我們所需要的化學物質(zhì)。

目前的問題是，這種吃電子的細菌只能在實驗儀器里存活幾周，并且這個系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)化率僅為2.5%。

展望仿生葉子的未來

美國宇航局最近通過了一個項目，這個項目計劃使用楊培東研發(fā)的有機生物體來制造宇航員的生活必需品，比如食物、燃料和氧氣。他們還將用楊培東的仿生葉子去實現(xiàn)通過吸收氮氣和二氧化碳來制造合成氨化肥的想法。這些合成氨將用于培育宇宙中的農(nóng)作物。

楊培東還設(shè)想要建一個功能不同的微生物體系。比如說，體系中有可以檢查氧氣供應量的細胞，如果氧氣供應量不足，這些細胞就會反饋給葉子細胞，讓它們加快光合作用。

也許，我們很快就能走進用硅納米線和細菌來合成一切化合物的半生物半機械化制造時代，這意味著干凈的能源和新生事物——太陽光伏和各種微生物結(jié)合，零排放量地創(chuàng)造人類所需的所有化學物質(zhì)：食物、燃料、肥料、金屬化合物……因為仿生葉子研究的發(fā)展，能源問題可能就此解決。更美妙的是，這種技術(shù)不僅限于地球使用，也許有一天仿生葉子將會在其他星球上吃它們的電子，制造出我們需要的食物與燃料。endprint