若是人类在未来举行“星际移民”，那么火星毫无疑问将是第一目的。硅谷“钢铁侠”埃隆・马斯克就一直有着“殖民火星”的目的，并设计在火星上确立一座可自我维持的都会。

但人类生涯所需的种种物资，从氧气、燃推测食物、药物，所有依赖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。不外，加州大学伯克利分校的杨培东教授有一项更为久远又简单易行的设计，或将辅助“火星移民设计”早日实现。

在已往近十年的时间里，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质料相连系的“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，杨培东实验室乐成研发出第一代“人工光合作用”系统，而就在克日，他们推出了更为优异的“2.0 版本”。

凭据杨培东的先容，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捉太阳光子。随后这些硅纳米线会发生电子，并将其提供给附着的微生物。最后，微生物吸收二氧化碳，举行化学反映，并产出乙酸盐。

关于该研究的论文揭晓在 3 月 31 日的Joule杂志上，杨培东的“人工光合作用系统 2.0 版”缔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，还能发生出氧气。

DeepTech 为此专门采访了杨培东教授，以进一步领会该研究背后的故事，以及他的未来设计等。

图 | “人工光合作用系统 2.0 版”：从空气中捕捉二氧化碳并将其转化为适用的有机物的装置；左侧是装有微生物与纳米线内连系系统的空间，这里会将二氧化碳转化为乙酸盐，右侧则是发生氧气的空间（泉源：杨培东/UC Berkeley）

如大自然一样平常的“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举行化学反映。”

对于太空义务来说，人们需要思量有用载荷的重量问题，而生物系统的优势则在于“它们可以自我复制”。这样人们就不必依赖火箭来发射更多的器械，因此这也正是该“生物/非生物连系系统”吸引人的优势所在。即便不思量星际移民，它在地球上也可以辅助解决能源欠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厚实，星球上大部分地区的地下都很可能冻结着大量的水。”同样，我们的地球也有百分之七十以上是被海水所笼罩的。

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行使自身酶将二氧化碳转化成特定多碳产物的微生物相连系，从而实现从太阳能到化学能的转变历程。在 2015 年该系统首次问世时，便引起了普遍关注。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实了我们的设计是可行的。”杨培东示意。随后在已往的近 5 年时间里，他们不断地对其优化，直到提高到了现在的 3.6%――而这已靠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%。“我们为此花费了许多心思，也许履历了 3、4 波研究生。”

由于微生物会有存活时间的问题，对此 DeepTech 向杨培东询问了该系统的稳固性和连续性，他解释道：“微生物的自我复制能力很强，也很频仍。作为转换的催化剂，用一段时间后就会死掉一批，但之后第二批又会天生了。它会有一个自我再生的历程，以是该系统的持久性是没有问题的。”

此外，他还示意：实验室所做的内容都是将其当做一个“静态”的系统（Batch Reactor）来举行种种研发与测试，但现实上，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”（Flow Reactor）。

图 | 微生物-纳米线连系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；这种慎密聚积会使太阳能更为有用地转化为碳键（泉源：杨培东）

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举行了研究和优化。

研究人员最初实验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举行化学反映时，微生物会从纳米线上脱落，从而破坏了电路。经由频频实验，他们发现这些微生物在发生乙酸的历程中降低了周围水的酸度，因此导致了它们与纳米线星散。

杨培东和他的学生们最终找到一种方式，可以控制环境中水的酸度，从而抵消了连续发生乙酸带来的 pH 值上升的影响。这让他们可以将数目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。在不后续弥补微生物的情况下，该系统可以稳固高效地举行一周的二氧化碳还原反映。

在太阳光连续照射下，“人工光合作用系统 2.0 版”在一周内平均的“太阳能转乙酸”的能量转化效率到达了 3.6%；同时，这一周中天天的乙酸产量也可以到达 44.3 g/m2 （或 0.3 g/L）。此外，他们用同位素标记法确认了碳元素的反映轨迹，并用漆黑对照实验证实：光能是二氧化碳转化的唯一能量泉源。

而天生的乙酸盐分子可以作为一系列有机分子的组成部分，包罗燃料、塑料和药物等。同时，许多其他有机产物也可以由转基因生物体内的乙酸盐制成，好比细菌或酵母。此外，杨培东的实验室也正在研究行使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。

氧气则是一个附带的利益，这或许可以给人类在火星上营造一个模拟地球 21％ 的氧气环境提供辅助。

“总而言之，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捉太阳光子。随后这些硅纳米线会发生电子，并将其提供给附着的微生物。最后，微生物吸收二氧化碳，举行化学反映，并产出乙酸盐。”杨培东说。

科研重在“原创”，功效来自积累

“人工光合系统”得以生长至今，并取得云云引人瞩目的功效，这得益于杨培东多年来在多个领域知识的积累，以及其富有“原创性”的设计头脑。

作为纳米导线领域的开创者，杨培东早在 25 年前于哈佛大学攻读博士学位时，就和自己的导师――美国三院院士、哈佛大学纳米科学家 Charles Lieber 一起，开发出一种有着怪异性子的半导体纳米线。这是一种极细的硅线，直径仅为人类头发丝的百分之一，其可以用于将热能、光能转换为电能，或者作为电子元件用于传感器和太阳能电池等领域。其应用普遍，潜力十分伟大。

在 2001 年，半导体纳米线电子器件被《科学》杂志评选为十大突破性希望。此外，该手艺在 2004 年也被《麻省理工科技谈论》评为“影响未来的十大突破性手艺”之一。2006 年，《自然》杂志将半导体纳米线研究列为物理学的十大研究热门之一。

该研究功效也让杨培东一举成为天下顶尖的质料科学家。在 2011 年汤森路透（Thomson Reuters）宣布了 21 世纪首个十年的全球质料科学家与化学家“Top 100”的数据，并凭据他们种种揭晓的研究功效的影响力举行排名。杨培东在质料科学家榜单中排名第一，并在化学家榜单中位居前 10（影响力第一的化学家正是他的导师 Charles Lieber）。

图 | 汤森路透的“全球百强质料科学家”榜单截图（泉源：ScienceWatch）

在研发出纳米导线之后，杨培东来到了加州大学伯克利分校，最先着手举行纳米导线的光子学，以及纳米导线的太阳能电池相关研究。而随着诸如基因工程、生物传感器、生物燃料电池等领域的生长，生物和非生物连系的夹杂性功能质料得到了普遍关注。随后，科研界将眼光投入到行使微生物来实现高效的水相二氧化碳还原上。

到 2010 年前后，杨培东最先了基于微生物与非生物质料界面的“人工光合作用”的相关研究。由于在半导体纳米线上的开创优势，加之他在化学、微生物学等领域的不断学习及深度投入，杨培东实验室在人工光合作用领域的研究一直处于天下领先地位。

“这是一个对照‘小众’的领域。”杨培东说，“由于它要求的学科跨度对照大，对科研条件和手艺积累的要求对照高。不是许多实验室都能做到这一步。”

然则“小众”并不意味着该领域研究的重要性不够。2018 年 9 月，NASA 公布一项针对太空的“二氧化碳转化挑战赛”：提供 100 万美元的奖金，希望参与者能找到二氧化碳转化的新方式，将其转化为葡萄糖等有用化合物。NASA 会奖励 5 支队伍，每支队伍可获得 5 万美元，结果在 2019 年 4 月宣布。之后，选出的队伍将进入第二阶段――构建转换系统并举行展示。第二阶段的奖金高达 75 万美元。

不出所料，杨培东实验室的研究团队乐成进入第一阶段的“最终 5 强”。“现在我们正在举行该挑战的第二阶段。”他弥补道，“然则，NASA 的挑战和我们这儿谈的人工光合作用系统并不相同。其偏向是无机催化剂，而我们这儿谈的人工光合作用系统接纳的是生物催化剂。我实验室的另外几名学生在做无机催化偏向。”

杨培东的实验室规模很大，现在结业及在读的博士生和博士后研究员已有150 人左右。“差不多有一半是中国学生，剩下以美国和韩国学生居多。”他说道。

图 | 杨培东和他的学生们（泉源：杨培东）

对于研究的态度， 杨培东示意一定要有“原创性”，不要同流合污，一味去追求“科研潮水”是不可取的。

由于 2020 年中国教育部发文打破了海内高校“唯 SCI 论”的系统，为此 DeepTech 也询问了“论文影响力最高”的杨培东的看法。“揭晓文章不能只追求指数，这是正常的态度，应该让科研人员静下心来做科研，以是这个决定是对的。”他示意，以质料领域为例，科研也是有“潮水风向”的。

“好比我最先所在的半导体纳米线质料，之后就是石墨烯，以及其他二维质料等。”他说，“研究偏向有热度不假，但科研人员不能一味跟风，要明了他在该领域的原创孝敬是什么。比方说，你见到一个科研学者，30 秒内你不能反映出来他的代表性事情是什么，那就说明有问题了。”

因此，“破除 SCI 至上”是准确的。但同时一定要强调，“每个人必须要有原创的代表性事情”。此外，对于年轻的科研人员来说，每个人都有他的机遇，找准偏向、坚持下去总能够出头。“就怕许多年轻人都同流合污，只去搞些盛行的器械。那样自然就没有出头的那一天。”杨培东说。

对于下一步的设计，杨培东示意他的实验室会继续寻找提高转化效率的方式。同时，也会去探索基因工程手艺，使微生物变得加倍“多才多艺”，能够发生多种有机化合物。

而有关现实应用问题，他示意：“这个研究偏向是无止境的。固然，人们总想知道什么时候能见到一些现实应用。远大的设想在未来十到二十年内，可能得以实现”

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参考：

https://news.berkeley.edu/2020/03/31/on-mars-or-earth-biohybrid-can-turn-co2-into-new-products/http://nanowires.berkeley.edu/https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30093-3http://nanowires.berkeley.edu/group/past-members/http://archive.sciencewatch.com/dr/sci/misc/Top100MatSci2000-10/