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跟着菠菜捕捉阳光

来源:瞭望东方周刊 作者: 2009-11-5

摘要: 地球每年经光合作用产生的物质有1730亿#12316。2200亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10#12316。20倍,但目前的利用率不到3%1897年,“光合作用”一词首次出现在教科书上。一片绿叶,一缕阳光,吸收二氧化碳和水,释放碳水化合物和氧气,再简单不过。...


  地球每年经光合作用产生的物质有1730亿〜2200亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10〜20倍,但目前的利用率不到3%



  1897年,“光合作用”一词首次出现在教科书上。



  一片绿叶,一缕阳光,吸收二氧化碳和水,释放碳水化合物和氧气,再简单不过。



  “绿叶就像个来料加工厂,原料、产品我们都清楚,然而这个工厂的大门一直紧闭,我们不知道工厂内部的结构,也不知道工人们如何工作。”中国科学院院士、结构生物学家常文瑞,这样比喻光合作用机理的“神秘感”。



  “地球每年经光合作用产生的物质有1730亿〜2200亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10倍〜20倍,但目前的利用率不到3%。”他告诉《瞭望东方周刊》,光合作用是高效利用太阳能的最好榜样,破解光合作用神秘机制,将为建立“人工光合作用系统”,继而开发清洁、高效的新能源提供结构基础。



  主持测定了我国第一个膜蛋白晶体结构的常文瑞,向本刊记者展示了一幅高等植物(菠菜)捕光复合物在原子水平上的三维结构图,图中,一些红色、绿色、黄色的“色素分子”,附着在一条条白色的  “飘带”上,精巧而鲜艳。



  “白色的飘带代表蛋白质,彩色的是叶绿素、胡萝卜素等色素分子,它们是植物吸收太阳光的‘天线’。”常文瑞解释说,色素分子的定位并非杂乱无章,而是很巧妙地组成了一个高效吸收和传递太阳光能的网络。考察色素分子相对的方位、距离和排布规律,为认识和模拟植物捕光机制提供了结构基础,人类在“跟着菠菜捕捉阳光”的道路上又往前迈进了一步。



  “高效捕光”的灵感



  谁是最大的资源消费国?常文瑞向记者展示了美国国防部的气象卫星拍摄的人造夜空图片:拥有世界4.6%人口的美国生产了16.8%的能源,消耗了23.4%的能源。



  “十几年前,中国的领土上,只有上海、北京附近的夜空有一点光亮,现在整个东部地区也都亮起来了。”他说,“已经亮起灯光的地方我们不希望它熄灭,我们要做的是让中国的广大中西部地区也亮起来。中国需要更多的能源!”



  但按照现有世界能源消费水平计算,能源储备仅够用100年,乐观点,200年。而且随着社会的发展,能源需求量逐年增加,到2025年,世界各国对电力的需求将翻一番。



  能源枯竭的同时,大气中二氧化碳的浓度灾难性地持续增高。有研究表明,即使通过节能减排等人为方式把空气中的二氧化碳水平降下来,其影响还是会持续几百年。



  “结论就是,节能减排和开发新的、可再生的清洁能源。”常文瑞认为,太阳能无疑将是最主要的新能源。



  太阳每小时洒向地球表面的能量,相当于地球每年消耗的能量总和;太阳每天洒向地球表面的能量,相当于地球现有能源储备的总和,会不会利用、怎样高效利用就成了关键。



  常文瑞肯定地告诉记者:“植物的光合作用为高效利用太阳能提供了最好的榜样。”



  “到2050年,光合作用的最重要突破将与能源有关。”只要将太阳能更有效地利用起来,未来的能源危机便可望迎刃而解,全球变暖也可得到有效控制。因此,光合作用已成为开发新一代清洁能源的重要方向。世界主要国家都已充分认识到这一点,光合作用在未来清洁能源发展中的战略地位空前提高。



  揭示光合作用神秘机制,打开“绿色工厂”的大门,一探工厂内的生产机制,成了模拟天然绿叶的光合作用、生产清洁燃料解决未来能源问题的开局之战。



  开启“绿色工厂”大门



  常文瑞带领的科研团队经过6年时间,成功测定了“菠菜主要捕光复合物的晶体结构”,从而率先破解了这一国际公认的、具有高度挑战性的科技前沿难题。



  “主要捕光复合物是什么?它有怎样的重要性?”面对记者的疑问,常文瑞解释说,如果把叶片的一角切下来放大,发现绿叶由叶绿体组成;再放大,发现叶绿体内由一层层的类囊体膜组成;再放大,就会发现膜里镶嵌着一团团由色素和蛋白组成的复合体。



  “光合作用过程中的光反应,就是通过一系列这样的由色素分子和蛋白质构成的复合体协作完成的。”常文瑞说,其中参与光能吸收、传递和光能转换的两类最基本的色素-蛋白复合体是:反应中心和捕光天线复合物。捕光天线复合物吸收太阳能并将其传递给反应中心;反应中心是光诱导的电荷分离引起的能量转换的“工厂”。



  “捕光是光合作用中最原初的过程,它包含了光能的吸收以及激发能向引起电荷分离的反应中心传递的过程。”常文瑞告诉记者。



  媲美“登月工程”的“人工叶”



  基于目前对光合作用机理的认识,常文瑞告诉本刊记者:“利用光合作用中水裂解的机制,实现从水中获得氢能源的理想,在  2050年有望实现。”



  最近,英国伦敦帝国学院启动了一项金额达100万英镑的“人工叶”计划,他们试图创造一个可以模拟天然绿叶光合作用的人工系统,产生清洁燃料氢和甲醇,为燃料电池或环保汽车提供能量。



  常文瑞告诉记者,欧洲科学基金会预计到2050年,在欧洲和一些别的地区大部分的燃料都将会从人工叶片中获得,“他们认为,如果人工叶片计划成功实现,意义可以媲美登月工程。”



  “利用光合作用原理可以实现从光能到化学能的转变,通过截流电子流直接生产电能,可以制造生物光伏电池。”他介绍,2004年,美国科学家已经在实验室把叶绿素光电池变成了现实。科学家把菠菜的色素蛋白复合体做成“三明治”,当光线照射在这个“三明治”结构上时就会释放电子,传到下面的金属层形成电流,其测得的太阳能转化效率达到12%。



  找到最合适、最有效的利用光源的微生物,或者制造培养出专门用来吸收光源的微生物,也是未来光合作用研究的突破点。



  40多年前,人们发现在无氧条件下,植物会激活细胞内部一种可生成氢气的酶——氢酶。如果这时让这些蓝藻照射阳光,便会产生氢气。据估计,如果藻类光合作用的产氢效率能达到10%,那么5万平方公里藻类接受太阳能放出的氢气就可满足美国的全部燃料需要。



  但实际上,蓝藻的产氢效率远远不能达到10%。光合作用分解水分子时放出的氧分子,会使氢化酶的活性降低,并最终使其停止工作。这就是为什么蓝藻的放氢活动只能延续几秒钟,最多几分钟的原因。中国科学院植物所科研人员发明了微藻与需氧细菌共同培养技术,大大提高了藻类放氢效率。



  在不断深入研究光合作用机理的同时,常文瑞坦言“对光合作用的期待越来越多”。2009年年初的两会期间,他向政协提交了《基于光合作用的能源和环保产业纳入我国未来战略能源规划的建议》。



  有理由相信,在不远的2050年,将是光合作用大显身手的时代。跟着菠菜捕捉阳光,将成为新能源产业的“制高点”。

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