叶绿素与新能源开发

    17世纪初期，比利时化学家范黑尔蒙特对植物生长最先做了科学研究。他把称过重量的土壤装在一只桶里，在里面栽下了一棵小树苗。小树逐渐长大了，可是发现土壤还是同以前一样重。大家都对此感到非常惊奇，因为人们一直想当然地认为植物是从土壤中得到它们长高所需要的物质的，不然它们是靠什么长高的呢?范黑尔蒙特断定，植物一定是用水制造了促进它们生长的物质，因为他经常给小树浇水。结果后来的发现证明他的推断只有一部分是正确的，原来更多的能量来自阳光和二氧化碳。

    地球上的生命依靠太阳的能量生存，而光合作用是唯一能捕捉此能量的重要生物途径。
    1818年，法国化学家佩尔捷(p．J．Pelletier 1788-1842)与卡芳杜(J．B．Caventou)合作，首次掀开了光合作用的神秘面纱，他们发现了叶中的一种绿色物质并将其命名为叶绿素，到了1864年，人们已经知道叶绿素由两个黄色及两个绿色色素所组成。
    在光合作用中光能被用来氧化水，释放出氧气，并还原二氧化碳合成有机化合物，最主要的有机物是糖。这一系列复杂的过程主要包括了光反应与暗反应两部分，地球上的绿色植物每年要化合1500亿吨的碳(来自二氧化碳)和250亿吨的氢(来自水)，并释放出4000亿吨的氧。它们用简单的二氧化碳和水的分子合成碳水化合物、脂肪和蛋白质。这种合成需要输入能量，而这些能量就是从无穷无尽的阳光那里获得的。绿色植物把阳光的能量转变成复杂化合物的化学能，而这些化学能可以养活所有的生命，构成了地球上生命繁荣的基础。
    人类在得到物质享受的同时，也面临越来越严重的能源危机，与植物相比人类远不具备这种神奇功能。就在各国专家为新能源的研究开发绞尽脑汁而又一筹莫展的时候，德国科学院首先传出佳音，年初，生物物理所和植物研究所的联合科研组合作完成了“菠菜主要捕光复合物(LHC—Ⅱ)晶体结构”这一研究成果，德国科学家领世界之先测定出绿叶中捕捉光能的这种复合物晶体结构，复合物高效进行光能吸收和传递的秘密因此得以破解。
    光合作用由捕光系统和光反应中心两个“接力手”宋共同完成，捕光系统负责把“接力棒”传给光反应中心。捕光蛋白复合物的三维结构是植物高效利用光能的物质基础，而LHC一Ⅱ这种膜蛋白在绿色植物中的含量最丰富。科研组发现这种复合物是一个具有典型正20面体对称特征的空心球体。同时，这种结构还首次揭示了色素分子在复合物中的排布规律，解释了LHC一Ⅱ能够光能吸收和传递的原因，对于理解植物光合作用中发光的捕光和能量，传递过程提供了重要线索。
    美国的科研成果则更进一步，他们提取到了菠菜叶绿素中的这种蛋白质，利用它们转化光能的特性，制成了叶绿素太阳能电池。科学家表示，经过进一步的改进，这种清洁型电池有望于不久将来实现商业化生产，为掌上电脑供应能量。美国科学家把菠菜中分离出的蛋白质被放在一个薄薄的金片上，附上一层导电的金属，顶层是导电的有机材料。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。这些蛋白质来自菠菜叶子中帮助植物转化光能的叶绿体，但是提取这些蛋白质可不是件容易的事，这些蛋白质分子非常脆弱，从自然环境中移走之后，常常无法继续工作。所以科学家把它们混合在一种很像肥皂的分子中。作为保护分子，它们在这些产生能量的蛋白质周围形成一层护膜，让蛋白质觉得仍置身于植物体内，以正常发挥其职能。当然，作为电池使用之前还需要改进。现在，它们能够持续21天产生电流，然后就报废了，所以必须设法延长它们产生电流的时间。现在它们转化吸收到的光能的效率只有12％。科学家希望这一比例能够上升至20％，届时，光电转换效率就超过市场现有的硅太阳能电池了。
    马萨诸塞州一家公司也开发出一种模仿光合作用的工艺方式，把二氧化钛及一种吸光染料涂覆在塑料薄膜表面，染料分子吸收的光线激发二氧化钛的电子从而完成发电过程；通用电气公司则利用一种有机发光二极管作为吸光材料来制造塑料太阳能电池。实际上是很好地利用塑料，就能让很多材料具有发电能力，例如，塑料太阳能电池可以嵌入笔记本电脑的壳体，在光照条件下随时为电脑充电，装在电动汽车车身上为发动机供电，住宅屋顶更可以改用塑料太阳能电池板覆盖，以供应日常生活用电。
    光合作用每年为我们的地球提供2200亿吨的生物能量，是全人类所需能量的10倍。虽然这些研究成果离实际的应用还有一段距离，但为农作物的进一步开发和利用提供了理论依据，同时也是研究新一代生物芯片和电子元件的基础和有效途径。如果真的能够大规模地仿生利用太阳能，那么困扰人类的能源问题将得到一个全新的解决方案。