光合作用反应可以被模拟吗?

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其实这个问题几十年前科学家就在试着解决了,毕竟这种能量来源近乎免费太有吸引力了。
从光合作用的本质说起:按照在叶绿体内的步骤,这个反应可以分成两步
1、水的分解
2、碳水化合物的合成

所以人工模拟光合作用也可以从这两步来谈,想要人工模拟这个反应,最重要的问题就在于催化剂和催化介质,如何能模拟出类似叶绿体这样的高效催化系统,从这个角度来说,催化介质最好也是薄膜(反应表面积大,利于气体交换)

水的分解这步其实并不难做到,只不过从前的技术比较耗能(电解+贵金属催化),属于投入大于产出,干了也白干,但是目前这步已经被MIT的研究人员通过新型催化剂解决了[1],他们把这种薄膜材料叫做“人工叶子”,成本低廉,往水里一扔,晒晒太阳就能将水变成氧气和氢气,说白了就是直接可以用于燃烧产能了。据他们自己说已经做好商业化准备并可以将这种技术用于交通工具,房屋供暖啊之类的。这个结果应该是08年左右的事情,具体进展没有追踪。而且如果仅从这一步来说,利用现在的光伏电池,已经接近甚至超越了植物叶绿体的产能效率。
然后从另外一个角度来看,植物本身是依靠光反应中提供的电子和氢离子,进入碳的卡尔文循环,然后固碳形成淀粉。如何人工的完成这个步骤?查到一篇2011年的中文文献[3],作者提到已经可以实验室里通过13个酶促反应将二氧化碳转化成糖,如果利用可以工业化得到的乙醛作为底物,还能把步骤降低为11步,而且不需要不稳定的NADH和ATP,这些酶促反应的每一步都在生物体内存在,但是总的反应却和生物本身的反应不同。如果结合这个系列反应配合光伏电池产生的能量,就相当于模拟完整的光合作用了。但是这一个步骤现在还停留在实验室的阶段,如何能将这么复杂的生化反应在人造薄膜内进行?这应该是接下去要解决的重要问题。

以上是基于催化化学和生物化学的思路,那么基于生物本身呢?能否将植物的光合利用能力转移到动物身上?已经有科学家在做相关的合成生物学的研究了,在一篇2011年发表在PlosOne的文章,标题很霸气,叫“Towards a synthetic chloroplast”[4], 其实内容到是没有名字这么夸张,简单来说就是成功的把能光合作用的蓝藻,转移到斑马鱼的细胞里,并且发现这些蓝藻能在斑马鱼的细胞里正常生长繁殖,并且斑马鱼的细胞不会受到影响。从这个图里可以看出,斑马鱼胚胎可以和这种蓝藻和平共处,其实在以前的研究中,也发现过在一种蝾螈的胚胎时期会和一种藻类共生,不过还没有证据证明这种蝾螈可以利用藻类光合作用产生的能量。不过可以小小的幻想一下,也许未来的“植物人”也许真的晒晒太阳就能活了?

最后奉上中科院的一个关于人工模拟光合作用的视频。
人工光合作用及太阳能利用1 http://v.youku.com/v_show/id_XMzQ1NDk3NDA=
参考资料:
[1] MIT Unveils Artificial Leaf That Creates Hydrogen Fuel from Sunlight
[2] 人造光合作用_互动百科
[3] 氢能或电能驱动的人工光合作用固定CO_2合成糖
[4] PLOS ONE: Towards a Synthetic Chloroplast