助推火星移民计划，“人工光合作用”系统进入二点零版

杨大可

如果人类在未来进行“星际移民”，那么火星毫无疑问将是第一目标。硅谷“钢铁侠”埃隆，马斯克就一直有着“殖民火星”的目标，并计划在火星上建立一座可自我维持的城市。

    “人工光合作用系統2.0版”：从空气中捕获二氧化碳并将其转化为实用的有机物的装置;左侧是装有微生物与纳米线內结合系统的空间，这里会将二氧化碳转化为乙酸盐，右侧则是产生氧气的空间

但人类生活所需的各种物资，从氧气、燃料到食品、药物，全部依靠火箭从地球运输并不现实;即便SpaceX的火箭运载能力在不断提高。不过，加州大学伯克利分校的杨培东教授有一项更为长远又简单易行的计划，或将帮助“火星移民计划”早日实现。

在过去近10年的时间里，杨培东实验室的科研人员一直在研究一个将微生物与非生物材料相结合的“循环系统”。该系统可以通过吸收太阳能，将二氧化碳和水转化为有机分子的基本成分——这也被人们称之为“人工光合作用”。在2015年，杨培东实验室成功研发出第一代“人工光合作用”系统，而就在近日，他们推出了更为优秀的“2.0版本”。

根据杨培东的介绍，该系统中硅纳米线在本质上类似天线——它们像太阳能电池板一样捕获太阳光子。随后这些硅纳米线会产生电子，并将其提供给附着的微生物。最后，微生物吸收二氧化碳，进行化学反应，并产出乙酸盐。关于该研究的论文发表在3月31日的《Joule》杂志上，杨培东的“人工光合作用系统2.o版”创造了一个新的转化效率纪录：在长达一周的时间里，实现高达3.6%的吸收太阳能转化效率，完成由太阳能到化学能的转换，并最终以乙酸盐的形式储存起来。此外，还能产生出氧气。

媒体专门采访了杨培东教授，以进一步了解该研究背后的故事，以及他的未来计划等。

如大自然一般的“动态循环系统”

“火星大气的96%都是二氧化碳。”杨培东说：“而我们的系统通过硅半导体纳米线来吸收太阳能，并将其传递给纳米线上的微生物来进行化学反应。”

对于太空任务来说，人们需要考虑有效载荷的重量问题，而生物系统的优势则在于“它们可以自我复制”。这样人们就不必依靠火箭来发射更多的东西，因此这也正是该“生物/非生物结合系统”吸引人的优势所在。即便不考虑星际移民，它在地球上也可以帮助解决能源短缺及二氧化碳排放导致的全球变暖等问题。

“除了阳光之外，我们的人工光合作用系统只需要另一种物质——水。”杨培东说：“而火星上的极地冰盖相对丰富，星球上大部分地区的地下都很可能冻结着大量的水。”同样，我们的地球也有70%以上是被海水所覆盖的。

他实验室设计的“人工光合作用”系统将硅半导体纳米线与可以利用自身酶将二氧化碳转化成特定多碳产物的微生物相结合，从而实现从太阳能到化学能的转变过程。在2015年该系统首次问世时，便引起了广泛关注。但在那时，其转化效率相对较低，只有0.4%。

“第一代主要是从概念上证明了我们的设计是可行的。”杨培东表示。随后在过去的近5年时间里，他们不断地对其优化，直到提高到了如今的3.6%-而这已接近自然界中将二氧化碳转化为糖等物质的“冠军”甘蔗的转化效率，4%—5%。“我们为此花费了很多心思，大概经历了三四波研究生。”

    微生物—纳米线结合系统的扫描电镜图像：在最佳的pH值环境下，微生物会紧紧地包裹住纳米线;这种紧密堆积会使太阳能更为有效地转化为碳键

因为微生物会有存活时间的问题，对此杨培东解释了该系统的稳定性和持续性，他说：“微生物的自我复制能力很强，也很频繁。作为转换的催化剂，用一段时间后就会死掉一批，但之后第二批又会生成了。它会有一个自我再生的过程，所以该系统的持久性是没有问题的。”

此外，他还表示：实验室所做的内容都是将其当作一个“静态”的系统来进行各种研发与测试，但实际上，其最终的应用形态会是像大自然中的植物一样，周而复始地形成一个“动态循环”。

作为“人工光合作用”系统的2.0版，杨培东的实验室主要针对微生物与纳米线电极之间的界面进行了研究和优化。研究人员最初尝试在纳米线上填充更多的微生物来提高效率，而当电子通过纳米线直接转移给微生物以进行化学反应时，微生物会从纳米线上脱落，从而破坏了电路。经过反复实验，他们发现这些微生物在产生乙酸的过程中降低了周围水的酸度，因此导致了它们与纳米线分离。

杨培东和他的学生们最终找到一种方法，可以控制环境中水的酸度，从而抵消了持续产生乙酸带来的pH值上升的影响。这让他们可以将数量更多的微生物投入到纳米线之中，把转换效率提高了近10倍。在不后续补充微生物的情况下，该系统可以稳定高效地进行一周的二氧化碳还原反应。

在太阳光持续照射下，“人工光合作用系统2.o版”在一周内平均的“太阳能转乙酸”的能量转化效率达到了3.6%;同时，这一周中每天的乙酸产量也可以达到44.3g/m2（或o.3g/L）。此外，他们用同位素标记法确认了碳元素的反应轨迹，并用黑暗对照实验证明：光能是二氧化碳转化的唯一能量来源。而生成的乙酸盐分子可以作为一系列有机分子的组成部分，包括燃料、塑料和药物等。同时，许多其他有机产品也可以由转基因生物体内的乙酸盐制成，比如细菌或酵母。此外，杨培东的实验室也正在研究利用太阳能和二氧化碳来生产糖与碳水化合物的系统，这可能将进一步解决星际移民的食物问题。