植物的光合作用是否能够人工模拟？

在20世纪初，科学家就已经认识到化石燃料的使用是不可持续的，1912年，意大利化学家 Giacomo Ciamician 就对化石燃料的不可持续使用发出警告，还敦促科学界人为地重建光合作用。一个世纪之后，随着技术的进步和科学知识的不断增长，他的愿景取得了重大突破。目前在实验室范围内的人工模拟是可以实现的，而且光合效率已经可以达到甚至超过自然界中植物的光合效率。

下图为自然界发生的光合作用：

模拟光合作用，将水、二氧化碳与太阳能一起利用，收集太阳能，将能量储存在化学键中，类似于自然界光合作用，以生产可用于发电的碳基燃料或以有机物储存起来供以后使用。下图为一种人工模拟光合作用的光化学催化系统：

光化学催化系统利用了纳米技术层次结构的进展，包括大量的电催化剂和用于光吸收的材料。大多数的人工光合作用尝试都使用各种模拟光合作用复合体活性结构类似的催化剂，如下，左为光系统2的释氧中心结构，右为人工材料的释氧中心结构。

加州大学伯克利分校的华人化学家杨培东在2015年4月成功地创造了第一个光合生物混合系统（PBS），第一代PBS使用半导体和活细菌来进行光合作用。跟植物叶片光合作用类似，吸收太阳能，并利用水和二氧化碳合成液体燃料，同时释放氧气。第一代PBS实现太阳能-化学转化效率为0.38%（绿色植物叶片光合效率为0.2%-2%）。随后又进一步，其团队用一种不同类型的细菌对系统进行了测试，细菌利用水分子的氢和二氧化碳，产生甲烷（天然气的主要成分）达到了10%的转换效率，比自然叶片的转换效率高得多。

上图为第一代PBS，下图为第二代PBS

人工光合作用虽然这对已经存在的太阳能发电场来说是个坏消息，但对于地球人类不断增长的能源危机和环境本身来说，是个非常好的消息。人工光合作用的优点超过其他形式的太阳能是在利用能源的过程中使用了二氧化碳。目前大气中二氧化碳浓度逐渐上升，主要原因可以归因于人为因素，包括大规模的森林砍伐、工业革命和人口增长。二氧化碳浓度的急剧上升导致全球变暖，污染加剧，对地球上生命的存在构成了严重威胁。

目前的这些人工光合作用系统存在不稳定和高成本的问题，这也是它们进一步商业化的重要瓶颈。但是如果技术继续进步，发现更稳定更持久、具成本效益的催化剂，将克服这些缺点，大大促进人工光合作用的发展与利用。