仿生叶子阻止世界末日

津儿个真高兴

“这些绿色工厂可以制造出任何我们所需要的化合物——食物、肥料、燃料、药品以及其他化合物，只需要让微生物披上半导体光伏外衣晒晒太阳就能得到。”

又有人预测世界末日就快来临，这次末日不是小行星撞地球之类的外部原因造成的，而是人类自己灭自己——发动核战争。众所周知，能源问题一直是世界各国争端的根源，很多国家之间的战争其实都是为了争夺能源。所以，开发高效、二氧化碳排放量低、可持续发展的新能源一直是近百年来科学家们力争解决的难题。然而科学家们能不能改变世界，打破核战争的预言呢？

坏消息是，我们现在的社会结构致使我们主要依靠的燃料依然是诸如煤炭、石油、天然气的化石燃料，这一点很难改变，然而照现在人类持续增加的能源消耗量来看，化石燃料在将来的某一天必然枯竭。

好消息是，其实科学家们已经研究出了一种工作中二氧化碳接近零排放量的新型能源，这种能源微小到我们在日常生活中根本不会在意，就连科学界在十年前也不相信这样的研究可以成功，然而近几年的科学研究给我们带来了连连喜讯，科学家们凭着突破思维的想象力和不断钻研的科学精神，研究出了这种能源：仿生叶子——模仿植物光合作用，利用微生物和电流来产生燃料以及其他人类所需的化合物。

那么，仿生叶子走过了怎样的发展历程，在未来到底能不能取代化石燃料以及其他稀有能源呢？

一百多年前的预言

首先，我们来看看一个意大利人一百多年前的预言。

1912年9月27日，一个叫贾科莫•路易吉•恰米奇安（Giacomo Luigi Ciamician）的意大利光化学家在第八次国际应用化学会议上发表了他的预言：未来世界，将会用太阳光伏作为能源——在干旱地区将会涌现没有硝烟与烟囱的工厂；玻璃管的森林将在地平线上不断延伸，玻璃建筑将无处不在；植物光合作用的原理不再神秘，人类将模仿光合作用，为自己提供比大自然更加丰富的食物；只要阳光普照，即使煤炭枯竭，人类文明也不会停止，生命和文明将继续下去。

这位恰米奇安就是最早进行光化学反应研究的科学家之一。他曾在《科学》杂志上发表过一篇像植物一样获取太阳能的论文，文中写道：“目前为之，人类文明的发展几乎一直在使用化石燃料，但是如果能更多地利用光能不是更好吗？”

晶体硅VS光合作用

时光飞逝，一百多年后的今天，作为太阳能电池的主流材料——晶体硅已经广泛应用于市场。平均每个固态硅晶体已经可以将撞击在其上的太阳光子的15%~20%转化为电能了，而且其他便宜又可以随意取用的太阳能（地球上的风能、化学能、水能等也属于广义上的太阳能）也飞速发展。可以说，恰米奇安关于光伏的预言已经一步步走向正轨，然而预言中提到的植物的光合作用跟其他能源一比好像不大起眼：理论上讲，植物最大只能将4.5%的太阳能转化为生物量；实际上，其成功转化率只有大约1%。

不过，美国科罗拉多州国家可再生能源研究室的保罗•金认为恰米奇安对有机光化学的研究是非常有远瞩性的，尤其是模拟植物光合作用来创造人类所需的一切的大胆设想。

因为，上述比较忽略了一个问题：太阳的光照不是恒定的，它只有在白天照射这我们，而且白天有时还躲在云层背后，使光伏电池产生的电流呈现出间歇性的特征。如果我们很容易储存光伏电池产生的电流，并在我们需要用的时候随时取用，那便没有问题。然而，虽然现有的科技已经更好地平衡了电的供需，但我们还是在使用笨重、昂贵、每次充电都会损耗寿命的电池。

针对太阳光照不稳定的问题，植物进化出了实用的解药。植物的储能方式不是基于带电粒子，而是化学键。它们将能量以糖的形式储存起来，方便它们新陈代谢。换句话说，它们制造的是燃料。

科学家们希望人造叶子可以做类似的事情——吐出一种可以在已有社会能源格局内适应的燃料。这种生物燃料可以在燃烧时产生二氧化碳，但是因为人造叶子需要先吸入二氧化碳进行光合作用，所以这个系统中二氧化碳的净排放量接近于零。

诺切拉的第一片叶子

怎样模仿植物的光合作用，环保地制造出燃料呢？

诺切拉是第一个开始研发复制光合作用的人。2011年，他公布了最好的人造叶子系统。其设计简单，成本便宜——就是一片充满催化剂的硅晶体。与其说是叶子，它看起来更像一张发灰色光的邮票。将它扔进有充分光照的水里，它会先将太阳能转化为电能，再在催化剂的作用下发生电解水反应，水里不一会儿就会冒出氧气和氢气泡泡。这些氢气是关键，它是一种可以变成加压储存罐或者氢燃料电池的燃料，并可以在需要时转换回电力状态。

诺切拉当时的成果曾令人印象深刻，但是这还不足以颠覆现有能源结构。氢气可以做燃料，但是氢经济学之梦虽然已经梦了好几年，却并没有什么实质进展。其中有部分原因是氢燃料电池是靠由昂贵且稀少的催化剂——例如铂金——将氢气的放电反应转化为电能的。而且人类社会使用碳基液体燃料的大格局已根深蒂固，氢气燃料与这个模型无法匹配。

仿生叶子的诞生

有了硅晶体叶子的基础，诺切拉和哈佛大学的生物工程师帕梅拉•斯维尔一起工作，将2011年造出的遇水分解氢的人造叶子和一种叫做真氧产碱杆菌的土壤细菌配在一起。细菌吃氢气，将氢气和二氧化碳混在一起，吐出一种生物燃料。斯维尔的实验室还对真氧产碱杆菌的基因进行修补，使其能生产不同的液态乙醇燃料。

然而督促人造系统和植物做一样的事情是任务艰巨的。植物用它们的生物化学魔法将吸收的水分在太阳光照的作用下分解成氧气、电子和氢离子（或者说质子）。然后这些质子和电子就会和二氧化碳一起合成糖类。这整个精致的舞蹈都伴随着生物分子和精心制作的很难平衡的化学建筑。所以诺切拉和斯维尔的实验成功了，不过是勉强成功。他们造出的会产生氢气的催化剂同时产生了活跃的氧原子。这些氧原子太过活跃，所以它们干扰了真氧产碱杆菌的生物化学机制，并在几个小时内杀死这些细菌。

但是，一次实验的失败并没有阻挡诺切拉的脚步。在2016年发表的一篇论文中，诺切拉的团队发现了一种对细菌友好的新催化剂。用这种新催化剂制造出的叶子成本不但更低，而且工作效率非常高。它能将10%的太阳能转化成燃料。可是，这项技术的成本仍然比生产煤气、开采石油要高。

吃电的微生物

所以，除了用催化剂和电产生氢气喂给微生物，还有没有其他更高效直接的办法呢？

美国亚利桑那州立大学研究太阳能采集的托马斯•摩尔的团队发现：有些类型的细菌本身就可以在净电荷作用下通过直接注入电子来生存。比如，有一种叫地杆菌的微生物可以吃掉电子，并用这些电子来进行化学反应。

而中国的纳米材料化学家杨培东实现了摩尔的想法。当他第一次将活的微生物有机体连接到导电的纳米硅线上时，没有人相信它会有什么功效。然而这些微生物并不是唯一被电击中的生物，它们带来的研究结果使化学界也被电了一下。

杨培东在加利福尼亚大学伯克利分校和其他几个实验室的实验表明，一些微生物不仅可以在遇到半导体纳米硅线内奔驰的原始电子后幸存下来，而且还可以在电子的撞击下活数周之久。

2013年开始起，他的研究团队发现某个特定的非光合作用细菌可以在吸收光能的硅纳米线中生长。2年后，这个团队发现这种纳米线可以直接把电子传输给细菌，而这种微生物似乎很喜欢这样的安排，它们会吸收电子，再用二氧化碳和水合成一种液体燃料，例如由碳、氢、氧构成的醋酸酯。

接下来，可能会改变世界的实验成功了。

杨教授和他的同事用另一种非光合作用细菌——热醋穆尔氏菌，一种会自发合成醋酸酯的细菌做实验，向其添加包括镉离子和半胱氨酸在内的化学物质的混合物。他们看见在热醋穆尔氏菌表面产生了由镉的硫化物构成的能吸收光的物质。也就是说，这种细菌用自身的化学物质构成了一件太阳能外套。

“我们花了很大力气才做成了半导体纳米结构，”杨教授说，“但是这些细菌自己就能在他们的表面造出半导体纳米结构。”这简直是一个会自我复制的太阳能燃料工厂。

更令人激动的是，当我们把微生物和一些最好的采光技术配对，并采取最自然的使用太阳能的方法——光合作用时，我们也许能创造出一些微小的绿色工厂，这些绿色工厂可以制造出任何我们所需要的化学物质——食物、肥料、燃料、药品以及其他化合物，只需要让微生物披上半导体光伏外衣晒晒太阳就能得到。

目前的问题是耐用性，这种吃电子的细菌只能在杨教授的仪器里存活几周。杨教授依然在深入研究它们的生物化学原理。他希望这能帮助他提高他所谓的“光合作用半生物半机械化系统”的效率。现在其转化率仅为2.5%。

成果与展望

最早的成果已被摘取。比如说氨，由氮原子和氢原子构成，而合成氨是肥料的主要成分。全球2016年肥料用量约1.66亿吨。然而我们使用的还是100年前发明的哈勃合成氨技术以及紧缺资源，制造过程中还会产生大量二氧化碳。但是，半生物半机械工厂的产生意味着有新方法来合成氨了。

保罗•金最近从生物化学机器中提取出的一种特定细菌，可以将空气中的氮气转化为氨。从细菌中提纯氮酵素很不容易而且耗时间，取而代之的，金希望研究出氮和这种细菌是怎么工作的，然后让人造化学专家仿造它的工作原理，做出一个在太阳下轻而易举地产生大量氨气的仿生工厂。

另外，杨培东现在造出的“叶子”都是由单细胞生物、一袋酵素以及被压缩在细胞膜构成的的生物机器。但是如果能使这些单细胞生物进化成复杂细胞，每个部分都能做一种特定的化学反应，那么最终我们可以得到的细胞会像一条生产线一样去做更复杂而有趣的化学合成。

太空中的仿生叶子

美国国家航空航天局（NASA）最近通过了一个项目，使杨培东从太空用生物工程中心得到了一笔基金。这个项目计划用有机生物体制造宇航员的生活必需品，比如食物、燃料和氧气。

他们还将用杨培东的生化叶子去实现保罗•金关于吸收氮气和二氧化碳来制造合成氨化肥的想法。这些合成氨将用于培育宇宙中的农作物并制造氧气。在地球上，氧气随处可见并不稀奇，而在宇宙中，氧气就物以稀为贵了。

杨培东还设想要建一个用来结合不同的仿生细胞和各种各样功能的体系。这个体系工作起来将会更像一个魔法世界里的景象，比如说，用能探测氧气供应量的细胞去检查氧气会不会不足，然后反馈给叶子细胞，让它们加快光合作用。

将活的微生物与我们最好的光线接收技术融合可能会将我们带进半机械化生物制造时代，这意味着干净的能源和新生事物——太阳光伏和各种微生物结合，零排放量地创造我们的衣食住行的所有东西。能源问题就此解决，核战争和世界末日不会到来。更美妙的是，这种技术不仅限于地球使用，也许有一天仿生叶子将会在其他星球上吃它们的电子。

杨培东

1971年8月出生于中国苏州。1988年－1993年，就读于中国科学技术大学化学系，取得应用化学学士学位。1993年－1997年，就读于美国哈佛大学化学与生物化学系，取得博士学位。

杨培东是国际顶尖的纳米材料学家。2003年，他被美国“技术评论”杂志列入“世界100位顶尖青年发明家”行列。2004年，他获得了美国材料学会(MRS)青年科学家大奖，这一奖项一年一度，且只有一位获奖者，而杨培东是第一位获得该奖的中国人。2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单总排名中，杨培东排名第10；2000-2010年全球顶尖一百材料学家名人堂榜单总排名中，他排第1。2014年9月25日发布的当年诺贝尔奖的“引文桂冠奖”的预测中首次有华人上榜，就是杨培东。

杨培东对纳米光子学的贡献包括：研制出第一个纳米导线激光器；在半导体纳米线和异质结构研究中采用创新性合成和装配工艺，并将其应用于基于纳米线的光电、热电、太阳能转化和纳米流体之中。