制作一片“树叶”来发电

当美籍华裔化学家杨培东第一次将带电的硅线连接到有生命的有机体上时,没人认为这会带来什么研究成果。当他第一次提出这个构想时,人们根本不相信这会行得通。

可事实却让人们大吃一惊。杨培东的实验和其他一些学者的研究表明:一些有机生物体不仅能在电子束中存活下来,还能维持生命长达几周的时间。杨培东的实验激发了学界的一种期待——通过生物学与电学的结合,最终解决一个大难题:怎样将免费的太阳能转换成既便宜又清洁的绿色能源?

不仅如此,通过制造微生物,将人类最先进的采光技术与自然界利用太阳能的主要方式——光合作用相結合,我们也许还能够创建一些微小的绿色工厂,并从中提取出许多有用的化学物质。

科学家认为,大自然“知道”怎样产生化学反应,而人类知道如何发电,那么,如果能把这两者结合起来,其研究和应用前景将非常广阔。

植物那样利用太阳能

其实,人类收集利用太阳能的渴望与研究从100多年前就开始了。早在1912年就有科学家提出:人类是否能像植物那样采集并利用太阳能?在此之前,人类文明几乎都只是利用化石燃料。如果能够更好地利用太阳的辐射能,对人类来说,是否又是一次新的跨越?

在过去的一个世纪里,人类所用的能源大部分都来自原油和煤。然而,100多年的工业化进程引发了许多环境问题:二氧化碳在大气中的浓度越来越高,全球变暖加剧,极端天气情况越来越多,海平面上升,环境污染等等。这一切都在催促人类采用更清洁的能源。

—个世纪很快过去了,或许我们已经部分实现了100年前科学家利用太阳能的愿景。如今,由刚性硅晶体制成的普通的太阳能电池板可将照射在上面的15%~20%的太阳光转化成电能,然后用电池储存起来。其他类型的太阳能电池也是既使用方便又价格便宜,其转换效率也在提高。相比之下,植物的能耐反而显得不值一提:植物将太阳能转化为化学能的效率最大理论值只有45%,而实际转化效率更低,甘蔗的转化率稍高一点,也就4%左右,现实中植物的转化率通常都只有1%。

然而,这样的比较忽略了一个重要的问题,即太阳光并非全天候照射。太阳只在白天照射,而即使是白天,阳光在很多时候还会被云层遮住,这就使得光伏电池产生的电流变得断断续续。虽然我们能够采用光伏电池很好地存储并再次利用这些电能,但光伏电池不仅价格昂贵,体积庞大,而且每次充电都会消耗掉一些电能。此外,废弃电池的处理也会带来新的环境问题。

植物光合作用<cite 氨的分子结构。仿生树叶还可能生产出许多人类所需的化学物质。

以氨为例。氨是由氮原子和氢原子组成的分子,也是一种重要的肥料和化工原料,仅在2016年全球就使用了约1.66亿吨的氨。然而,目前氨的制备仍在使用百年前耗能极高的“哈伯工艺”,其生产过程会产生大量二氧化碳。

现在,有科学家发现了某些类型的细菌可将空气中的氮转化为氨的生化机制。科学家将这些细菌放入特定溶液中,通过注入氮气,并添加硫化镉半导体,由此获得了一种类似被解构变形的人造光合作用系统,该系统可以有效地从阳光中产生氨。并且,实验设计中去除了活细胞以降低其复杂性,仅仅使用一种固氮酶(一种能够将氮分子还原成氨的酶)便可开启整个反应。

不过,要从细菌中纯化固氮酶是个非常耗时的过程,因此不大可能扩大规模并最终应用到实际生产中。为此,科学家想合成易于处理的人工替代物来模拟固氮酶。

杨培东所追寻的研究方向并非去解构细胞,而是将整个系统进行更为精细的设计。目前,杨培东团队所培养的“树叶”是由简单细胞与包裹在膜中的一系列酶及生物机械的组合。在这个基础之上,逐步往该组合中添加某些目标产物转化所必须的物质,使得整个系统最终成为一条可以生产复杂化学物质的细胞生产线。

诺塞拉对此很赞同。他认为,人们可以考虑将其作为一个通用的可再生化学合成平台。因为可以对细菌进行基因操作,所以人们能够利用这一平台来生产塑料、药物或某些化合物等必需品,而如果用以往的办法去人工化学合成这些物质,则需要消耗大量燃料。因此,这种新技术在经济上是可行的,且随着技术进步,成本还会逐渐下降。

让未来太空旅行不再遥远

美国宇航局对这样的构想也非常认可。杨培东等科学家正在进行一些新的研究项目,期望能够利用生物有机体为宇航员生产一些諸如食品、燃料及氧气等必需品。这些研究项目将利用杨培东的仿生树叶,在太空环境下实现人工固氮。即利用氮和二氧化碳来生产氨,给太空中的粮食作物做肥料,并提供氧气。在地球上,燃料很重要,但在太空中,氧气却是性命攸关的。

科学家发现,火星上面的大气9B%都是二氧化碳,而剩下的多是氮气。那么,在火星上进行人工光合作用比在地球上容易得多,氮气则可以被固定下来做肥料。如果能将整个人工光合作用体系应用于固定二氧化碳和氮气的话,那么,既解决了太空旅行中的化学品问题,也解决了能源问题,还解决了在外太空种植作物所需要的肥料问题。

现在,杨培东甚至已经开始构想建立一个将不同类型、不同功能的仿生细胞结合在一起的系统。该系统可能更像一种有机体。例如,当系统中负责感应的细胞察觉到氧气供应不足时,机体便会增强其叶细胞的光合作用——制造氧气。

自杨培东首次尝试将细菌与电连通以来,科学家已经走过了很长一段探索之路。诺塞拉等科学家对未来的科技发展充满信心。他认为,我们已经离科幻电影《火星救援》所描绘的场景越来越近。也许有一天,仿生树叶真会在另一颗星球上开心地吸收电子呢!

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:42。
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