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【人工光合作用】(上)最大谜题终得破解

2013-11-19 00:01
蓝林笑生
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  诺贝尔奖获得者根岸教授的建议

  这背后有两个因素。第一个因素是2010年荣获诺贝尔化学奖的美国普渡大学特聘教授根岸英一的建议。

  人工光合作用原本是日本长期领先于世界的领域。1972年,现任东京理科大学校长藤岛昭等人在英国的科学杂志《自然》上发表了“本多藤岛效应”,在全世界率先验证了人工光合作用的可行性。2006年~2010年,在该领域日本申请的专利数量也力压亚军美国和季军中国,荣登榜首。

  但进入2011年,美国政府宣布,在5年里向人工光合作用研究投入约1亿美元以上的预算。在加利福尼亚州建设了大型研究基地“人工光合作用联合中心”。而且,中国、欧盟、韩国也在快速增加全国规模的研究项目。

  世界各地的动向令根岸产生了强烈的危机感,主张“人工光合作用才是日本应当领先于世界实现实用化的领域”,大力强调有必要在国家主导下,立即建立产官学合作的“全日本”体制。

  对于应当由国家主导开展项目的理由,井上作出了以下解释。

  “人工光合作用如果实现实用化,将成为基础非常广泛的产业领域。因此,企业间的合作必不可少。这是必须以长远眼光进行发展的领域,绝非一家企业可以解决的课题。国家需要发挥旗手的作用,在寻求社会理解的同时,作出健全的判断,并以此为基础进行的引导。”

  日本研究者解开光合作用的最大谜题

  第二个因素是在2011年,日本科学家解开了困扰众多科学家200多年的光合作用之谜。

  植物的光合作用大致分成两个阶段。首先是使用太阳光能,进行从水中夺走电子的“氧化反应”,然后是进行利用电子还原二氧化碳,制造有机物的“还原反应”。第一阶段利用阳光,称为“光反应”,第二阶段不利用阳光,称为“暗反应”。

  过去的研究已经证实,在暗反应中,光反应从水中夺取电子时产生的物质起到“试剂”的作用,酶作为“催化剂”,参与二氧化碳还原和有机物生成。催化剂是指令化学反应容易产生的物质。无论是在自然光合作用,还是在人工光合作用中,都发挥着极其重要的作用。

  而在光反应中,植物叶片“类囊体膜”中的叶绿素吸收太阳光能,也就是光子,利用光子夺取水中的电子。但对于最初吸收光子,从水中夺取电子,发挥着这一极其重要作用的反应中心内的物质,其详细的分子结构却尚不清楚。

  2011年,日本大阪市立大学教授神谷信夫和冈山大学教授沈健仁等人的科研小组,在全世界率先解开了上述分子结构之谜。他们成功使反应中心结晶,利用全球最高水平的分析装置,以1.9埃(1埃为100亿分之1米)的空间分辨率,清晰地观察到了分子结构。

  至此,光合作用的全貌终于水落石出。

  现在,科学家们正在研究反应中心从水中夺取电子的详细原理。

  其实,人工光合作用研究的最大课题也是“如何从极其稳定的水中夺取电子”。这是人工光合作用研究进展不畅的最大原因。

  正因为如此,通过利用神谷教授和沈教授等人的研究成果,人工光合作用的研究或有望实现巨大进展,有关方面对此寄予厚望。大阪市立大学也在2013年6月,新设立了人工光合作用研究中心。开始全力推进人工光合作用研究。

  井上说:“我希望日本在全球率先实现人工光合作用,并将该技术推广到全世界。利用这项技术,让世界变得幸福,同时日本也可以享受知识产权带来的利益。”

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