光合作用电子传递链示意图
染料敏化太阳能电池部件图片来源：科技日报
植物的叶绿体可以进行光合作用，把太阳光变成我们的食物。它到底有怎样精妙的设计，能实现大自然间最伟大的反应；科学家是否能够勘破大自然的神奇，模拟出激动人心的“叶绿体”电池呢？
■本报记者 吴昊
人类看到了鱼的鳍，于是就有了浆；人类赞叹海豚曼妙的身形，于是就有了流线型的汽车和火车；人们发现几乎失明的蝙蝠飞翔自如，于是就有了雷达系统。
聪明的人类不放弃一切向自然学习的机会，亿万年来进化保留下来的某些机制，甚至堪称完美。现在，人们又在向一片树叶学习，期望模拟植物叶绿体，能高效获取“太阳神”赐给人们的能量。
植物的叶绿体可以进行光合作用，把太阳光变成我们的各种食物。它到底有怎样精妙的设计，能实现大自然间最伟大的反应；科学家是否能够勘破大自然的神奇，模拟出激动人心的“叶绿体”电池呢？
光合秘密
大约500年前，荷兰科学家范·埃尔蒙通过精准定量得到了一个令当时人们难以理解的发现：柳树生长增加的重量竟然和土壤减少的重量不一致！这项被称作盆栽柳树称重的实验，一举颠覆了古希腊哲人亚里士多德“植物生长所需的物质全来源于土中”的看法。
尽管并没有发现光合作用，但范·埃尔蒙迈出的这一步仍打开了人们的视野。1880年，美国人恩格尔曼第一次发现叶绿体是进行光合作用的场所，并释放出氧气。
上世纪三四十年代，科学家终于明白了光合作用的核心，即由光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子，同时二氧化碳中的碳元素通过反应转变成有机物。即“光”与“合”的作用。
它们分别被称为“光反应”和“暗反应”。顾名思义，前者必须有光的参与，实现水分子裂解，能量的传递；而后者却不能望文生义，“暗反应”有光无光均可，最终实现CO2与高能量结合，形成淀粉等有机物。
这一切，都在叶绿体中进行。也就是说，大自然满眼的绿色不仅仅能令人们心旷神怡，其中还蕴涵着不可计数的能量转换器。不过，70年过去了，光合作用反应的一些超微细节，还有待继续深入探究。
神奇的叶绿体
《科学》杂志近年来的年终盘点，已少见追踪植物界的进展。2011年，这份自然科学界的权威刊物再度聚焦植物叶绿体，并将其评为年度十大进展，足可见人们对光合作用的重视程度。
光系统Ⅱ——植物叶绿体进行光合作用的核心部件，近来被科学家们“识破”了当前最高精度的“真身”。1.9埃（1埃=0.1纳米）的分辨率，让世人更清晰地认识了这个光合作用发生的场所之一。
叶绿体是一个有双层膜包裹的封闭结构，内部充满着基质。正因为有选择性膜的存在，叶绿体可以拦起一道“大坝”。当然，这道由类囊体膜充当的“大坝”不蓄水，蓄的是氢离子浓度。
在这道大坝上，拥有光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、细胞色素b6f和ATP（三磷酸腺苷）酶等色素蛋白复合体，它们以一定分子排列及空间构象有序工作。
令人惊奇的是，从光能吸收到氢离子和电子分离，如此复杂的反应仅仅在不到万分之一秒内就能瞬间完成。
这些氢离子和“高山流水”一样，也会从高浓度向低浓度流动。当“水坝”两边的H+从高浓度一侧流向低浓度一侧时，就推动ATP合成酶，生产出所有生命的通用能量——ATP。
在光系统Ⅱ中的捕光色素蛋白接收到光子的巨大能量后，反应中心分子的电子就会像子弹一样飞出去，并沿着“大坝”开始旅程。在这过程中，质体醌PQ会把它拦下。为了正负电荷的平衡，质体醌会捕获带正电荷的氢离子。当电子再次被投出的时候，氢离子会被释放到大坝上游，从而源源不断地产生氢离子的势能，同时，位于叶绿体的放养复合物会产生游离的氧气。
如果人们要更加精确地了解大坝上机器的原理，必须清晰地“看”到它的详细结构，当然，如果获取的“机器”分辨率越高、尺度越小，科学家越容易理解它的原理，甚至为我所用。
这就是为什么《科学》杂志对获得1.9埃的光系统Ⅱ结构如此看重了。要知道，光系统Ⅱ直径只有17.5纳米，此前已报道的光系统Ⅱ分辨率为3.8~2.9埃，并不足以揭示水分离反应中心的详细结构。而一个Mn4CaO5分子团组成的催化中心，更是让X射线图谱对结构的探测造成了失真。
事实上，科学家越清晰地“看到”叶绿体的构造，越有可能将其“克隆”到生产实践之中。
启发太阳能电池
受到光合作用原理的启发，科学家们这样想，如果能模拟出叶绿体功能，就有可能把光变成电，解决面临的能源和环境问题。
一种“染料敏化太阳能电池”（以下简称DSC）进入了公众的视野。这个电池的原理与光合作用有些类似。不同的是，DSC是借助类似叶绿素的染料来吸收太阳光，产生电子，电子再被电极收集，然后再通过外电路，回到反电极，产生光电流。
1965年，第一个DSC诞生。1998年，科学家制备了第一个固态DSC。2009年，日本Sharp公司制备了效率为8.2%的大面积（25.45cm2） DSC模组。
不过，这一思路的瓶颈在于光化学反应的催化剂。在叶绿体的光系统Ⅱ中，起催化作用的是一种含锰的生化酶。而在人工体系中，人们期望找到一种人工催化剂来替换。于是，很多类似于氧化钴纳米颗粒的酶被找到，高转化率的光解反应有望实现。
另外，染料分子则是制约DSC发展的另一障碍。目前的绝大多染料分子对红外光的吸收效率不高，但太阳光49%的能量却集中在红光区。其次，这些类似叶绿素的染料分子在接触光线之后会降解。
为了应对这一短板，美国研究人员正在利用碳纳米管和DNA，开发出一种新型太阳能电池，它能像植物体内天然的光合作用系统那样自我修复，从而延长使用寿命并降低成本。
另外，人工叶片昂贵的材料和较低的光转化效率也制约着人工模拟光合作用电池的应用。不过，据美国麻省理工学院宣称，他们已使用广泛应用的廉价材料，成功研制出了一种性能稳定、形状像扑克牌的人工树叶，可以持续进行光合作用达45小时。
不过很多科学家明确表示，这些研究更多仍处于基础研究及小规模开发阶段，离实际应用还有相当距离。
甚至有科学家认为，光合作用更大的贡献是将光能直接转化为化学能，单纯比较太阳能到电能的转化，光伏电池更胜一筹。一项《科学》杂志研究认为，在年度能量利用上，光伏电池总体上效率较高，可以达到10％~11％；而普通农作物光能利用效率不到1％，微藻也只能达到3％。
无论如何，“人造叶片”对人类的诱惑非常大，科学家们正在虚心地向自然请教。
或许，实现人工模拟光合作用电池的大规模应用，并非遥无可及。
《中国科学报》 (2012-02-04 A2 新知)
