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植物通过光合作用获取能量,什么时候人类也能像植物那样,用清洁、简便、高效的办法从自然界获取能量呢?人们离这一期望越来越近了。据美国“每日科学”网站报道,美国加州大学伯克利分校的科学家,在这一领域取得了重大突破,找到了可使光合反应顺利进行的特殊催化剂。在此基础上,科学家期望彻底弄清光合作用的奥秘,使人工光合作用能大规模用于生产和生活。
大自然怎样制造能量
由光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子的反应,这是光合作用的核心。生物学家认为,这一反应向地球上所有复杂的生命提供能量和氧气,使生命得以延续。人类揭开了光合作用的这一关键过程后,便一直尝试摆脱植物载体,在实验室中通过光裂解水分子,产生可以燃烧的氢气。
光合作用水裂解反应(以下简称“光解反应”)的出现,为多细胞生命的生存创造了条件。这一反应过程十分精妙,至今科学家都未完全弄清。根据电化学理论,拆开水分子需要的能量足以摧毁任何生物分子。然而,植物每天都在进行这一反应,却没有对自身产生不良影响。科学家只有解开这个谜团,才能在实验室中完成人工光合作用。
找到神奇的催化物
研究人员已发现,在光合作用中,特殊的蛋白质“光合体系Ⅱ”作为催化剂载体,起催化作用的是一种含锰的生化酶。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下,人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系Ⅱ”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正是找到了高效的催化剂——氧化钴纳米颗粒,实现了高转化率的光解反应,相关论文已发表在德国《应用化学》期刊上。
现代人何时变成“植物人”
虽然找到了理想的催化剂,但研究人员表示,这可能是偶然之中的意外收获,还有很多问题有待解决,解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。
尽管取得了重大进展,但研究人员并不认为绿色能源近在眼前。“每日科学”的文章分析说,目前人工光合作用面临着三大难题:如何捕捉太阳能;如何以电子的形式将太阳能转运到反应中心;如何在光合作用的循环过程中补充电子。其中前两个难题已经基本得到了解决,但至今还不知道如何解决第三个难题。要解决这个问题最好的办法就是,彻底弄清光合作用的反应机理。
光合作用的基本过程是在叶绿体内进行的。叶绿体吸收光子,并传导给叶绿素,使它释放出高能电子,用于将二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失1个电子,催化核心就会从水分子中抽取1个电子为其补充。这样,经过4轮电子转移,两个水分子转化为1个氧气分子、4个电子和4个氢离子,然后重新开始新一轮的循环。但在人工过程中很难实现电子补充,研究人员希望,在循环过程中将这一难题尽快攻破,到时人类就能像植物一样,将太阳光转化为可以利用的能量。
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