光合作用：撑起绿色能源一片天
氧化碳排放、油价飙升、能源危机已成为当前热门的话题。
实际上，地球上的能量巨大。太阳每秒钟到达地面的能量达80万千瓦，如果将太阳光照射地球表面1个小时产生的所有能量聚积起来，就足以满足人类整整一年的能源需求。
而光合作用是地球上最为有效的固定太阳光能的过程，如果人类可以像植物一样利用光合作用，直接把太阳能转换成我们需要的能源，将有效解决能源紧缺问题。
目前，科学家已经开始研制新型的生物光伏电池。
―――供能优势―――
高效光能转化器
光合作用是绿色植物、包括藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的过程。它为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供物质和能量来源，光合作用放出的氧气，是地球上氧气的主要来源。当今人类所消耗的石油、煤、天然气也都是远古时期植物光合作用的直接和间接产物。
不过，最让科学家感兴趣的是光合作用极高的光能吸收、传输和转化效率。“在光合作用的第一阶段，叶绿体中捕光色素蛋白复合体内光能的吸收传递效率能到90%―98%。之后当光子被传递到反应中心后，反应中心进行能量转化的量子效率几乎能达到100%。而且整个吸能转能过程在7―15秒内完成。”中国科学院植物研究所匡廷云院士告诉记者。
―――新进展―――研制生物光伏电池
科学家们模拟叶绿体结构的吸能转能机理，制成高效的染料敏化太阳能电池。目前染料敏化太阳能电池在测试条件下光能转化效率已经达到11.1%。
今年4月，我国华东师范大学科研人员在这一领域取得突破，研发出了一块高效染料敏化太阳能电池。这块电池使用了二氧化钛和“三明治” 结构。我国的创新点是：通过在染料中加一些由纳米荧光材料制成的量子点，使“捕光手”能“蚕食”多个波长的阳光。提高了电池的吸能效率。目前，这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10%%，接近11%%的世界最高水平。中国科学院的植物所、化学所、技术物理所以及国家纳米中心等单位目前正开始着手研制新型的生物光伏电池，决心挑战太阳能电池光量子转换的Shockley-Queisser理论上限。蓝藻驱动氢动力
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，如果藻类光合作用产氢效率能达到10%%，那么则5万平方公里藻类接受太阳能放出的氢气可满足美国的全部燃料需要。
但实际上，蓝藻的产氢效率远不能达到10%。而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。这也就是为什么蓝藻的放氢活动只能延续几秒钟，最多几分钟的时间。
为此，科学家们利用抑制剂有针对性地阻止了负责生成氧气的光合系统，同时把氢酶基因和一个控制元连接起来，以提高氢化酶遗传信息的读取次数。这种藻类的氢气产量比它们的天然同类提高了两到三倍。目前，德国波恩的科学家正在和美国加州的一家公司合作，检验这种藻类是否适于用来大规模生产氢气。中科院植物所科研人员发明了微藻与需氧细菌共同培养，大大提高藻类放氢效率。
―――未来瓶颈―――光能转换效率不高
目前，很多国家都制定了基于植物光合作用的第三代光伏电池发展计划。我国也正积极推动相关研究项目的立项。但要从实验室走进市场，“叶绿素”绿色能源还有很多问题需要解决。
“首先要面对的就是光能转换效率的问题。”匡廷云院士介绍说，虽然光合作用的第一阶段叶绿体的光能吸收传递效率高达90%―98%，光能转化的量子效率几乎为100%。但目前转能效率最高的是2004年美国科学家利用光系统I制成的光伏电池，转能效率仅为12%%。”
使用寿命较短
太阳能电池的寿命同样很重要。而2004年美国科学家研制的电池寿命仅为21天。“这涉及生物蛋白的稳定性问题，未来我们希望利用生物体的自组装功能来维持其光合作用功能和寿命。”匡廷云说。
最终能否走进市场，还要成本说了算。虽然据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1/10，“但目前要达到这样的成本显然还不可能，大规模生产还有待时日”。
―――连线专家―――
记者：光合反应的研究有什么重要意义?
匡廷云(中国科学院植物研究所院士)：阐明光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理，丰富和发展超分子体系的电子传递及能量传递理论，促进生命科学、物理学及化学学科前沿领域的发展，而且能为提高作物和能源植物光能利用效率提供理论依据、新思路和新途径，为农作物及能源植物超高产，为建立我国本世纪农业可持续发展的新技术作出重要贡献。对光合作用高效转能的模拟，还可以为开辟太阳能利用的新途径、为太阳能电池、生物电子器件及生物芯片的研制提供理论基础，从而促进农业科学、能源科学、信息科学和材料科学的发展，为开辟21世纪的新兴产业提高理论依据和科学技术信息。
记者：研究光合作用机理对于缓解人类生态问题和能源危机有什么意义?
匡廷云：近年来，人类活动的增加，化石燃料燃烧使空气中温室气体(尤其是二氧化碳)的含量剧增，带来了温度上升、海平面升高等一系列严重的负面影响。而光合作用能吸收二氧化碳并将其转变为生物能储存在植物体内，大大缓解了温室气体对地球的压力。另外，人类活动的增加也使石油、煤炭等资源急剧消耗。利用和模拟植物的光合作用机理，可以为寻找新能源提供思路。
记者：目前光合作用新能源的研究有哪些思路?
匡廷云：我们研究光合作用机理，筛选出光合效率高、抗盐碱和干旱能力强的能源植物，在边远贫瘠的土地种植，形成生物质能源资源的产业基地。利用这些植物资源得到的生物质能，可以在不与人争粮争地的情况下缓解人类的能源危机。
同时，光合作用机理可以为制造高效率的光伏电池提供借鉴。目前，单晶硅光伏电池的光能利用效率在20%―30%之间，且成本昂贵。多晶硅电池虽然成本大大下降，但效率仅为7%左右。而将植物光合膜色素蛋白体制成生物芯片或敏化剂，可能为我们提供光能利用效率非常高的叶绿素光伏电池。
-新闻缘起
在2008北京奥运会的诸多场馆(地)中，国家体育场(“鸟巢”)和奥运村无疑是两颗耀眼的“明星”。在这两个场馆(地)的建设中，太阳能电池将高高在上的太阳“邀请”下来，为其“增光添热”。事实上，目前的电池的太阳能利用率最大只能达到11%%，因此模拟光合作用的高效能光伏电池已成为科学家研究的热点。
-相关链接
我国科学家已“拷贝”叶绿体
光合作用高效的吸能、转能活动的物质基础是在叶绿体内光合膜上具有一定分子排列和空间构象的色素蛋白复合体和有关电子载体。那么我们能不能人工模拟叶绿体光合膜，并以此为基础打造高效的太阳能电池?
2004年3月18日，《自然》杂志以主题论文的方式发表了由中国科学院生物物理所、植物研究所合作完成的“菠菜主要捕光复合物 (LHCII)晶体结构”研究成果。该文章揭示了光合作用高效进行光能吸收和传递的结构、机理，为复制叶绿体光合膜结构、模拟光合作用提供了基础。
“了解捕光色素蛋白的结构后，人们可以进一步了解其能量传输网络，并将其制成生物芯片来吸收光能。”匡廷云院士说。
同样是在2004年，美国科学家利用这种蛋白质将叶绿素光电池变为了现实。科学家把菠菜的色素蛋白复合体像三明治一样，一层一层地贴在连有导线的金箔上面，并附上一层导电的金属，另一端则连着导电的有机材料。当光线照射在这个“三明治”结构上时，蛋白质就会释放电子，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%。这项研究的商用价值让人期待。
