跟著菠集捕捉陽(yáng)光

張　欣

1897年，“光合作用”一詞首次出現(xiàn)在教科書上。

一片綠葉，一縷陽(yáng)光，吸收二氧化碳和水，釋放碳水化合物和氧氣，再簡(jiǎn)單不過(guò)。

“綠葉就像個(gè)來(lái)料加工廠，原料、產(chǎn)品我們都清楚，然而這個(gè)工廠的大門一直緊閉，我們不知道工廠內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，也不知道工人們?nèi)绾喂ぷ?。”中?guó)科學(xué)院院士、結(jié)構(gòu)生物學(xué)家常文瑞，這樣比喻光合作用機(jī)理的“神秘感”。

“地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1730億～2200億噸，其中蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10倍～20倍，但目前的利用率不到3％。”他告訴《瞭望東方周刊》，光合作用是高效利用太陽(yáng)能的最好榜樣，破解光合作用神秘機(jī)制，將為建立“人工光合作用系統(tǒng)”，繼而開發(fā)清潔、高效的新能源提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

主持測(cè)定了我國(guó)第一個(gè)膜蛋白晶體結(jié)構(gòu)的常文瑞，向本刊記者展示了一幅高等植物(菠菜)捕光復(fù)合物在原子水平上的三維結(jié)構(gòu)圖，圖中，一些紅色、綠色、黃色的“色素分子”，附著在一條條白色的“飄帶”上，精巧而鮮艷。

“白色的飄帶代表蛋白質(zhì)，彩色的是葉綠索、胡蘿卜素等色素分子，它們是植物吸收太陽(yáng)光的‘天線?！背Ｎ娜鸾忉屨f(shuō)，色素分子的定位并非雜亂無(wú)章，而是很巧妙地組成了一個(gè)高效吸收和傳遞太陽(yáng)光能的網(wǎng)絡(luò)?？疾焐胤肿酉鄬?duì)的方位、距離和排布規(guī)律，為認(rèn)識(shí)和模擬植物捕光機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，人類在“跟著菠菜捕捉陽(yáng)光”的道路上又往前邁進(jìn)了一步。

“高效捕光”的靈感

誰(shuí)是最大的資源消費(fèi)國(guó)?常文瑞向記者展示了美國(guó)國(guó)防部的氣象衛(wèi)星拍攝的人造夜空?qǐng)D片：擁有世界4.6％人口的美國(guó)生產(chǎn)了16.8％的能源，消耗了23.4％的能源。

“十幾年前，中國(guó)的領(lǐng)土上，只有上海、北京附近的夜空有一點(diǎn)光亮，現(xiàn)在整個(gè)東部地區(qū)也都亮起來(lái)了?！彼f(shuō)，“已經(jīng)亮起燈光的地方我們不希望它熄滅，我們要做的是讓中國(guó)的廣大中西部地區(qū)也亮起來(lái)。中國(guó)需要更多的能源!”

但按照現(xiàn)有世界能源消費(fèi)水平計(jì)算，能源儲(chǔ)備僅夠用100年，樂觀點(diǎn)，200年。而且隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求量逐年增加，到2025年，世界各國(guó)對(duì)電力的需求將翻一番。

能源枯竭的同時(shí)，大氣中二氧化碳的濃度災(zāi)難性地持續(xù)增高。有研究表明，即使通過(guò)節(jié)能減排等人為方式把空氣中的二氧化碳水平降下來(lái)，其影響還是會(huì)持續(xù)幾百年。

“結(jié)論就是，節(jié)能減排和開發(fā)新的、可再生的清潔能源?！背Ｎ娜鹫J(rèn)為，太陽(yáng)能無(wú)疑將是最主要的新能源。

太陽(yáng)每小時(shí)灑向地球表面的能量，相當(dāng)于地球每年消耗的能量總和；太陽(yáng)每天灑向地球表面的能量，相當(dāng)于地球現(xiàn)有能源儲(chǔ)備的總和，會(huì)不會(huì)利用、怎樣高效利用就成了關(guān)鍵。

常文瑞肯定地告訴記者：“植物的光合作用為高效利用太陽(yáng)能提供了最好的榜樣。”

“到2050年，光合作用的最重要突破將與能源有關(guān)?！敝灰獙⑻?yáng)能更有效地利用起來(lái)，未來(lái)的能源危機(jī)便可望迎刃而解，全球變曖也可得到有效控制。因此，光合作用已成為開發(fā)新一代清潔能源的重要方向。世界主要國(guó)家都已充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，光合作用在未來(lái)清潔能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位空前提高。

揭示光合作用神秘機(jī)制，打開“綠色工廠”的大門，一探工廠內(nèi)的生產(chǎn)機(jī)制，成了模擬天然綠葉的光合作用、生產(chǎn)清潔燃料解決未來(lái)能源問題的開局之戰(zhàn)。

開啟“綠色工廠”大門

常文瑞帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)6年時(shí)間，成功測(cè)定了“菠菜主要捕光復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)”，從而率先破解了這一國(guó)際公認(rèn)的、具有高度挑戰(zhàn)性的科技前沿難題。

“主要捕光復(fù)合物是什么?它有怎樣的重要性?”面對(duì)記者的疑問，常文瑞解釋說(shuō)，如果把葉片的一角切下來(lái)放大，發(fā)現(xiàn)綠葉由葉綠體組成；再放大，發(fā)現(xiàn)葉綠體內(nèi)由一層層的類囊體膜組成；再放大，就會(huì)發(fā)現(xiàn)膜里鑲嵌著一團(tuán)團(tuán)由色素和蛋白組成的復(fù)合體。

“光合作用過(guò)程中的光反應(yīng)，就是通過(guò)一系列這樣的由色素分子和蛋白質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合體協(xié)作完成的?！背Ｎ娜鹫f(shuō)，其中參與光能吸收、傳遞和光能轉(zhuǎn)換的兩類最基本的色素一蛋白復(fù)合體是：反應(yīng)中心和捕光天線復(fù)合物。捕光天線復(fù)合物吸收太陽(yáng)能并將其傳遞給反應(yīng)中心；反應(yīng)中心是光誘導(dǎo)的電荷分離引起的能量轉(zhuǎn)換的“工廠”。

“捕光是光合作用中最原初的過(guò)程，它包含了光能的吸收以及激發(fā)能向引起電荷分離的反應(yīng)中心傳遞的過(guò)程?！背Ｎ娜鸶嬖V記者。

媲美“登月工程”的“人工葉”

基于目前對(duì)光合作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，常文瑞告訴本刊記者：“利用光合作用中水裂解的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)從水中獲得氫能源的理想，在2050年有望實(shí)現(xiàn)?！?/p>

最近，英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院?jiǎn)?dòng)了一項(xiàng)金額達(dá)100萬(wàn)英鎊的“人工葉”計(jì)劃，他們?cè)噲D創(chuàng)造一個(gè)可以模擬天然綠葉光合作用的人工系統(tǒng)，產(chǎn)生清潔燃料氫和甲醇，為燃料電池或環(huán)保汽車提供能量。

常文瑞告訴記者，歐洲科學(xué)基金會(huì)預(yù)計(jì)到2050年，在歐洲和一些別的地區(qū)大部分的燃料都將會(huì)從人工葉片中獲得，“他們認(rèn)為，如果人工葉片計(jì)劃成功實(shí)現(xiàn)，意義可以媲美登月工程。”

“利用光合作用原理可以實(shí)現(xiàn)從光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，通過(guò)截流電子流直接生產(chǎn)電能，可以制造生物光伏電池?！彼榻B，2004年，美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室把葉綠素光電池變成了現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)家把菠菜的色素蛋白復(fù)合體做成“三明治”，當(dāng)光線照射在這個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)上時(shí)就會(huì)釋放電子，傳到下面的金屬層形成電流，其測(cè)得的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12％。

找到最合適、最有效的利用光源的微生物，或者制造培養(yǎng)出專門用來(lái)吸收光源的微生物，也是未來(lái)光合作用研究的突破點(diǎn)。

40多年前，人們發(fā)現(xiàn)在無(wú)氧條件下，植物會(huì)激活細(xì)胞內(nèi)部一種可生成氫氣的酶——?dú)涿?。如果這時(shí)讓這些藍(lán)藻照射陽(yáng)光，便會(huì)產(chǎn)生氫氣。據(jù)估計(jì)，如果藻類光合作用的產(chǎn)氫效率能達(dá)到10％，那么5萬(wàn)平方公里藻類接受太陽(yáng)能放出的氫氣就可滿足美國(guó)的全部燃料需要。

但實(shí)際上，藍(lán)藻的產(chǎn)氫效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到10％。光合作用分解水分子時(shí)放出的氧分子，會(huì)使氫化酶的活性降低，并最終使其停止工作。這就是為什么藍(lán)藻的放氫活動(dòng)只能延續(xù)幾秒鐘，最多幾分鐘的原因。中國(guó)科學(xué)院植物所科研人員發(fā)明了微藻與需氧細(xì)菌共同培養(yǎng)技術(shù)，大大提高了藻類放氫效率。

在不斷深入研究光合作用機(jī)理的同時(shí)，常文瑞坦言“對(duì)光合作用的期待越來(lái)越多”。2009年年初的兩會(huì)期間，他向政協(xié)提交了《基于光合作用的能源和環(huán)保產(chǎn)業(yè)納入我國(guó)未來(lái)戰(zhàn)略能源規(guī)劃的建議》。

有理由相信，在不遠(yuǎn)的2050年，將是光合作用大顯身手的時(shí)代。跟著菠菜捕捉陽(yáng)光，將成為新能源產(chǎn)業(yè)的“制高點(diǎn)”。