光合作用模拟研究方面的进展论文

光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖），放出氧气。但这只是最终结果，整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧，自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应，叶绿素分子失去两个电子，水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述，但是想人工实现这一过程却绝非易事，主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介，在植物中充当这一媒介的是叶绿体。 众所周知，水能够电解成氢和氧，但整个过程毫无意义。为了提高这一性能，化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。目前只有钌和铂能充当这种媒介，当然这两种金属都很昂贵，除此之外，反应要进行还需要特定的温度条件和气压。 模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样，分解水的反应在室温下就可进行，溶液也没有腐蚀性，更重要的是催化剂非常便宜，可以很容易地得到氢气和氧气。编辑本段人造光合作用-最新进展据美国“每日科学”网站2009年3月12日报道，美国加州大学伯克利分校的科学家，在这一领域取得了重大突破，找到了可使光合反应顺利进行的特殊催化剂。在此基础上，科学家期望彻底弄清光合作用的奥秘，使人工光合作用能大规模用于生产和生活。 据国外媒体报道，美国麻省理工学院（MIT）的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。编辑本段人造光合作用-催化物研究人员已发现，特殊的蛋白质“光合体系Ⅱ”作为催化剂载体，起催化作用的是一种含锰的生化酶。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下，人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系Ⅱ”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正是找到了高效的催化剂——氧化钴纳米颗粒，实现了高转化率的光解反应，相关论文已发表在德国《应用化学》期刊上。 这个系列实验是在加州大学劳伦斯伯克利国家实验室“太阳神”太阳能研究中心完成的，该研究中心由华裔科学家、诺贝尔奖获得者朱棣文创立。他也是劳伦斯伯克利实验室的主任。主要参加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士后、旅美华人学者焦锋（音）。弗雷介绍说，光解反应对催化剂要求极为苛刻，在经过无数次实验后，他们发现氧化钴纳米晶体既高效又快速，反应持久，也容易得到，正好能满足要求。 最开始，他们用毫米级的氧化钴颗粒做实验，效果不理想。后来改用纳米级的氧化钴颗粒，欣喜地发现反应速度大大提高。弗雷表示，使用氧化钴纳米“团簇”（多个纳米束组成的团状结构）做催化剂的反应速度是毫米团簇的1600倍，每个团簇每秒约能裂解1140个水分子，反应功率（指每秒吸收的能量）与地面附近的太阳辐射能相当，约为每平方米1000瓦。编辑本段人造光合作用-前景虽然找到了理想的催化剂，但研究人员表示，这可能是偶然之中的意外收获，还有很多问题有待解决，解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。 研究人员使用较普遍的介孔矽（中间有孔洞的二氧化硅晶体）作为氧化钴载体，通过一种“湿性注入”的技术将纳米束植入其中。最理想的情况是直径约为8纳米、长50纳米的团簇，团簇中的纳米管互相连接，弯曲成直径约35纳米的球体。但当使用其他形状的纳米团簇时，催化效率就又大大降低。弗雷猜测说，纳米团簇的形状可能对催化反应起决定作用。目前，弗雷与焦锋正在进行进一步实验，试图探明其中的机理。 弗雷与焦锋的研究成果无疑给人工光合作用打了一针强心剂。因为在这之前，主要研究重点放在催化反应过程上，高效催化剂一直未能找到。弗雷表示，无论从催化剂的易得性、纳米团簇的稳定性、反应中所加的电压，还是酸碱度、温度方面来说，氧化钴的催化效率已同“光合体系Ⅱ”相当。研究人员的下一个任务是，建立一个切实可行的太阳能能量转换系统，将反应产生的氢气以无污染的方式转化成能量。 尽管取得了重大进展，但研究人员并不认为绿色能源近在眼前。“每日科学”的文章分析说，目前人工光合作用面临着三大难题：如何捕捉太阳能；如何以电子的形式将太阳能转运到反应中心；如何在光合作用的循环过程中补充电子。其中前两个难题已经基本得到了解决，但至今还不知道如何解决第三个难题。要解决这个问题最好的办法就是，彻底弄清光合作用的反应机理。 光合作用的基本过程是在叶绿体内进行的。叶绿体吸收光子，并传导给叶绿素，使它释放出高能电子，用于将二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失1个电子，催化核心就会从水分子中抽取1个电子为其补充。这样，经过4轮电子转移，两个水分子转化为1个氧气分子、4个电子和4个氢离子，然后重新开始新一轮的循环。但在人工过程中很难实现电子补充，研究人员希望，在循环过程中将这一难题尽快攻破，到时人类就能像植物一样，将太阳光转化为可以利用的能量。

人工模拟光合作用反应中心光诱导电子转移（PET）过程的工作展开已久。20世纪90年代初期以前人们构建的光合作用人工模拟体系主要是光敏色素，电子给体和受体共价键结合的体系，其中的色素通常采用与叶绿素结构类似的卟啉类衍生物，通过共价键代替了生物蛋白的作用。人工模拟体系的设计主要基于两方面考虑：一是如何选择光敏色素、电子给体和受体，特别关键的是其激发态能级，光物理参数以及相关态之间的氧化还原反应电势；二是如何选择控制模型体系中各组件之间的相互作用和组织原则，因为这对量子转移过程的速率及量子效率方面起到主要作用。 最新和最复杂的通过分子间相互作用构筑光合作用人工模拟体系的工作由胡义镇和Itaru 他们合成了血红素-联吡啶钌-环二（百草枯-对亚苯基）模型体系，该体系包括敏化剂三（2，2‘-联吡啶）钌络合物、受体环二（百草枯-对亚苯基）（BXV4+0和作为次级电子给体的血红素部分（与一个联吡啶配体共价键结合），然后再与肌红蛋白重组，进而进行PET研究，结果得到了可以与天然体系相比的长寿命的电荷分离态Mb（FeⅣ=O）-Ru2+BXV3+ ，其寿命大于2ms，而且是在水溶液中进行的。还有一种通过特殊催化剂光解水的模拟方法也取得了新的进展。据国外媒体报道，美国麻省理工学院（MIT）的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。虽然找到了理想的催化剂，但研究人员表示，这可能是偶然之中的意外收获，还有很多问题有待解决，解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。研究人员使用较普遍的介孔硅（中间有孔洞的二氧化硅晶体）作为氧化钴载体，通过一种“湿性注入”的技术将纳米束植入其中。最理想的情况是直径约为8纳米、长50纳米的团簇，团簇中的纳米管互相连接，弯曲成直径约35纳米的球体。但当使用其他形状的纳米团簇时，催化效率就又大大降低。弗雷猜测说，纳米团簇的形状可能对催化反应起决定作用。弗雷与焦锋正在进行进一步实验，试图探明其中的机理。弗雷与焦锋的研究成果无疑给人工光合作用打了一针强心剂。因为在这之前，主要研究重点放在催化反应过程上，高效催化剂一直未能找到。弗雷表示，无论从催化剂的易得性、纳米团簇的稳定性、反应中所加的电压，还是酸碱度、温度方面来说，氧化钴的催化效率已同“光合体系Ⅱ”相当。研究人员的下一个任务是，建立一个切实可行的太阳能能量转换系统，将反应产生的氢气以无污染的方式转化成能量。

植物光合作用及其对光的需求无论是采用太阳光还是人工光进行植物生产，最终都是通过光合作用来完成产物的积累。光合作用是通过植物叶绿素等光合器官，在光能作用下将CO2和水转化为糖和淀粉等碳水化合物并释放出氧气的生理过程；与光合作用相对应的是呼吸作用，呼吸作用是通^植物线粒体等呼吸器官，吸收氧气和分解有机物而释放CO2与能量的生理过程，是植物把光合作用形成的碳水化合物作为能量用来形成根、茎、叶等形态建成的重要生理活动。呼吸作用包括与光合作用毫无关系的暗呼吸以及与光合作用同时进行的光呼吸2个部分。作物的光合作用与呼吸作用之间有一个相互平衡的过程，随着生长阶段的不同，其平衡点也不同。实际生产中经常利用控制作物的光合速度和呼吸速度来调节营养生长和生殖生长的相对平衡，达到提高目标产量或改善产品品质的目的。植物的光合作用与CO2的吸收、释放关系密切，光合时吸收CO2，呼吸时排放CO2，这2种生理活动是同时进行的，所以光合器官的叶片内外的CO2交换速度也就等于光合速度减去呼吸速度。通常把该CO2交换速度也叫做净光合速度，其中的呼吸速度则是暗呼吸速度与光呼吸速度的总和。一般而言，C3植物光呼吸速度高，C4植物光呼吸速度低。因此，净光合速度为0时，光合速度等于光呼吸速度。光合速度的单位为kg/cm2・s）或mol/cm2・s）（以CO2计），表示单位叶面积单位时间内CO2的吸收、排放或交换量。光强对作物光合的影响光合产物的形成与光照的强度及其累积的时间密切相关。光照的强弱一方面影响着光合强度，同时还能改变作物形态，如开花、节间长短、茎的粗细及叶片的大与厚薄等。在某一CO2浓度和一定的光照强度范围内，光合强度随光照强度的增加而增加。当光照强度超过光饱和点时，净光合速度不但不会增加，反而还会形成抑制作用，使叶绿素分解而导致作物的生理障碍。不同类型植物的光饱和点的差异较大，光饱和点一般会随着环境中CO2浓度的增加而提高。因此，植物生产中给予光饱和点以上的光照强度毫无意义；而另一方面，当光照强度长时间处于光补偿点之下，植物的呼吸作用超过了光合作用，有机物消耗多于积累，作物生长缓慢，严重时还会导致植株枯死，因此对植物生长也极为不利。通常情况下，耐荫植物的光补偿点为200～1000 lx，喜阳植物的光补偿点为1000～2000 lx。植物对光照强度的要求可分为喜光型、喜中光型、耐弱光型植物。蔬菜多数属于喜光型植物，其光补偿点和光饱和点均比较高，在人工光植物工厂中作物对光照强度的相关要求是选择人工光源的最重要依据，了解不同植物的光照需求对设计人工光源、提高系统的生产性能都是极为必要的。光质对作物光合的影响光质或光谱分布对植物光合作用和形态建成同样具有重要影响，地球上的植物都是在经过亿万年的自然选择来不断适应太阳辐射，并依据种类不同而具有光选择性吸收特征的。到达地面的太阳辐射的波长范围为300～2000 nm，而以500 nm处能量最高。太阳辐射中，波长380nm以下的成为紫外线，380～760 nm的叫可见光，760 nm以上的是红外线也称为长波辐射或热辐射。太阳辐射总能量中，可见光或光合有效辐射占45%～50%，紫外线占1%～2%，其余为红外线。波长400～700 nm的部分是植物光合作用主要吸收利用的能量区间，称为光合有效辐射；波长700～760 nm的部分称为远红光，它对植物的光形态建成起到一定的作用。在植物光合过程中，植物吸收最多的是红、橙光（600～680 nm），其次是蓝紫光和紫外线（300～500nm），绿光（500～600 nm）吸收的很少。紫外线波长较短的部分，能抑制作物的生长，杀死病菌孢子、波长较长的部分，可促进种子芽、果实成熟，提高蛋白质、维生素和糖的含量；红外线还对植物的萌芽和生长有刺激作用，并产生热效应。不同的光谱成分对植物的影响效果也不尽相同（表1），强光条件下蓝色光可促进叶绿素的合成，而红色光则阻碍其合成。虽然红色光是植物光合作用重要的能量源，但如果没有蓝色光配合则会造成植物形态的异常。大量的光谱实验表明，适当的红色光（600～700 nm）/蓝色光（400～500 nm）比（R/B比）才能保证培育出形态健全的植物，红色光过多会引起植物徒长，蓝色光过多会抑制植物生长。适当的红色光（600～700 nm）/远红色光（700～800 nm）比（R/FR比）能够调节植物的形态形成，大的R/FR比能够缩短茎节间距而起到矮化植物的效果，相反小的R/FR比可以促进植物的生长。所有这些特征都是植物工厂选择人工光源时必须考虑的重要因素，尤其是对于近年来发展起来的新型节能光源，如LED、LD以及冷阴极管等来说显得更为重要，因为这些光源需要通过不同光谱的单色光组合构成作物最适直的光质配比，以保障高效生产和节能的需求。光周期对植物的影响植物的光合作用和光形态建成与日长（或光期时间）之间的相互关系称其为植物的光周性。光周性与光照时数密切相关，光照时数是指作物被光照射的时间。不同的作物，完成光周期需要一定的光照时数才能开花结实。长日照作物，如白菜、芜青、芭英菜等，在其生育的某一阶段需要12～14 h以上的光照时数；短日照作物，如洋葱、大豆等，需要12～14h一下的光照时数；中日照作物，如黄瓜、番茄、辣椒等，在较长或较短的光照时数下，都能开花结实。