一些致力于減肥的妹子們想象自己不吃飯，光靠曬太陽就能活下來。這個想法常常被身邊的人破壞：光靠曬太陽就能活下來的那得是天生就會光合作用的植物好嗎！

其實，科學(xué)家早就腦洞大開，試圖用化學(xué)、生物的方法，來人工模擬光合作用。這可不是為了減肥只曬太陽不吃飯，而是為了解決人類的終極難題——能源問題。

 

光合作用到底是咋回事兒

 

大家都知道，植物和動物、人類都不一樣，它們不是通過食物攝入能量，而是直接從陽光中獲得能量。更厲害的是，它們在光合作用中吸收了二氧化碳，釋放了氧氣。真心是“吃進去的是草，擠出來的是奶”的勞模典范！

用科學(xué)家的話來說，光合作用是含有葉綠體綠色植物、動物和某些細菌，在可見光的照射下，經(jīng)過光反應(yīng)和碳反應(yīng)，利用光合色素，將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機物。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，光合作用是把光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程。

大家知道，綠色植物之所以是綠色的，就是因為它的葉片中有葉綠素。光照條件下，葉綠素先通過一系列化學(xué)反應(yīng)，把光能轉(zhuǎn)換成電能和一些不太穩(wěn)定的化學(xué)能，又經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這些不穩(wěn)定的化學(xué)能，能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能。所以，要模擬光合作用，就要人工復(fù)制這個過程。你說容易嗎？

經(jīng)過上百年的研究，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)光合作用的化學(xué)反應(yīng)實際上是一個“接力跑”。第一步反應(yīng)會給后續(xù)反應(yīng)提供活潑的反應(yīng)物，當(dāng)后續(xù)反應(yīng)拿到“接力棒”時才會繼續(xù)跑下去。

 

水裂解：關(guān)鍵一步

 

那么，今天我們從第一步反應(yīng)說起，即“光反應(yīng)”。光反應(yīng)的參與者包括水、二氧化碳和陽光。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，水的裂解算得上光合作用接力賽的“發(fā)令槍”，是最最關(guān)鍵的一步。我們知道，水分子是由氫、氧兩種元素構(gòu)成。植物在光合作用的過程中，能將水分子打開，釋放出氧氣，同時獲得帶正、負電荷的兩類基團，這個過程就被科學(xué)家稱為“水裂解”反應(yīng)。

這兩類基團因為性質(zhì)比較活潑，會繼續(xù)參與光合作用后面的化學(xué)反應(yīng)。

然而，水是性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)，它的裂解要么有非常強大、苛刻的外力，比如高溫高壓，要么有合適的催化劑參與。經(jīng)過數(shù)十億年的進化，自然界在光合作用中，形成一種被稱為“光系統(tǒng)II”的酶。

這是目前人類所知唯一能夠利用太陽能高效、安全將水裂解的生物催化劑。如果能夠人工合成出這類催化劑，科學(xué)家距離人工模擬光合作用就不再遙遠了。

 

看清“光系統(tǒng)II”

 

面對大自然，人類多半只算得上一個知之甚少的學(xué)童。植物體內(nèi)的這種酶實在太過復(fù)雜，人類連它的精確結(jié)構(gòu)都難以看清，更不用說人工合成。

經(jīng)過多年的科學(xué)研究，科學(xué)家們逐漸推測出這種酶能夠發(fā)揮作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也就是它的催化中心。

一方面，科學(xué)家通過理論分析，在計算機上預(yù)測這種催化中心的結(jié)構(gòu)和催化機理。經(jīng)過越來越精確的計算，科學(xué)家們推測，這個催化中心可能是有鈣離子的立體結(jié)構(gòu)。

另外一方面，科學(xué)家也在不斷鉆研顯微技術(shù)。2011年，一名日本學(xué)者最終通過高分辨率光系統(tǒng)II 晶體結(jié)構(gòu)研究，確認了“水裂解催化中心”的結(jié)構(gòu)。這種催化劑是四個錳離子和一個鈣離子及多個氧原子組成的不對稱金屬簇，外周分布了復(fù)雜的配體。

 

人工合成自然界唯一的水裂解催化中心

 

但是，如此精妙的結(jié)構(gòu)也不是你想合成就合成的。化學(xué)家分析，人工合成“水裂解催化中心”的難點是如何使錳原子和鈣原子能穩(wěn)定連接，如何形成不對稱的骨架結(jié)構(gòu)，如何模擬出酶工作的生物環(huán)境等等。

針對這些科學(xué)難題，中科院化學(xué)所研究員張純喜從2011年起嘗試對“水裂解催化中心”進行人工模擬。在分析了足夠多的資料后，他們只利用了高錳酸鉀、醋酸錳、醋酸鈣及相關(guān)有機酸等簡單廉價的化學(xué)試劑做原料，在簡單的化學(xué)實驗裝備中，經(jīng)煮沸、重結(jié)晶等系列過程處理，得到了可能含有目標產(chǎn)物的混合物。

最終，經(jīng)過高難度的分離，科學(xué)家們?nèi)缭敢詢數(shù)玫搅艘粋€簡化版的“水裂解催化中心”。

但是，人工合成“水裂解催化中心”的工作才剛剛開始。目前，科學(xué)家仍在繼續(xù)圍繞“水裂解催化劑”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)展開研究，希望能夠完全拷貝自然界的作品。

 

結(jié)語

 

從光合作用到水裂解、光系統(tǒng)II再到催化中心，科學(xué)家對光合作用的人工模擬也才進行到制造“發(fā)令槍”的階段。催化中心的合成成功，距離人工模擬光合作用起碼還要跨越幾個臺階。靠曬太陽獲得能量的想象至少在很長一段時間的未來，都只能是科幻電影里的想象。

不過，科學(xué)家說了，成功合成水裂解催化中心是新的開始。不管難度多大，他們都會迎難而上。

曬太陽就能活？模擬光合作用從合成催化劑開始

圖文簡介

人工合成“水裂解催化中心”