光合作用反應可以被模擬嗎？

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其實這個問題幾十年前科學家就在試著解決了，畢竟這種能量來源近乎免費太有吸引力了。
從光合作用的本質說起：

按照在葉綠體內的步驟，這個反應可以分成兩步

按照在葉綠體內的步驟，這個反應可以分成兩步
1、水的分解
2、碳水化合物的合成

所以人工模擬光合作用也可以從這兩步來談，想要人工模擬這個反應，最重要的問題就在於催化劑和催化介質，如何能模擬出類似葉綠體這樣的高效催化系統，從這個角度來說，催化介質最好也是薄膜（反應表面積大，利於氣體交換）

水的分解這步其實並不難做到，只不過從前的技術比較耗能（電解+貴金屬催化），屬於投入大於產出，幹了也白乾，但是目前這步已經被MIT的研究人員通過新型催化劑解決了[1]，他們把這種薄膜材料叫做「人工葉子」，成本低廉，往水裡一扔，晒晒太陽就能將水變成氧氣和氫氣，說白了就是直接可以用於燃燒產能了。據他們自己說已經做好商業化準備並可以將這種技術用於交通工具，房屋供暖啊之類的。這個結果應該是08年左右的事情，具體進展沒有追蹤。而且如果僅從這一步來說，利用現在的光伏電池，已經接近甚至超越了植物葉綠體的產能效率。

然後從另外一個角度來看，植物本身是依靠光反應中提供的電子和氫離子，進入碳的卡爾文循環，然後固碳形成澱粉。如何人工的完成這個步驟？查到一篇2011年的中文文獻[3]，作者提到已經可以實驗室里通過13個酶促反應將二氧化碳轉化成糖，如果利用可以工業化得到的乙醛作為底物，還能把步驟降低為11步，而且不需要不穩定的NADH和ATP，這些酶促反應的每一步都在生物體內存在，但是總的反應卻和生物本身的反應不同。如果結合這個系列反應配合光伏電池產生的能量，就相當於模擬完整的光合作用了。但是這一個步驟現在還停留在實驗室的階段，如何能將這麼複雜的生化反應在人造薄膜內進行？這應該是接下去要解決的重要問題。

以上是基於催化化學和生物化學的思路，那麼基於生物本身呢？能否將植物的光合利用能力轉移到動物身上？已經有科學家在做相關的合成生物學的研究了，在一篇2011年發表在PlosOne的文章，標題很霸氣，叫「Towards a synthetic chloroplast」[4], 其實內容到是沒有名字這麼誇張，簡單來說就是成功的把能光合作用的藍藻，轉移到斑馬魚的細胞里，並且發現這些藍藻能在斑馬魚的細胞里正常生長繁殖，並且斑馬魚的細胞不會受到影響。

從這個圖裡可以看出，斑馬魚胚胎可以和這種藍藻和平共處，其實在以前的研究中，也發現過在一種蠑螈的胚胎時期會和一種藻類共生，不過還沒有證據證明這種蠑螈可以利用藻類光合作用產生的能量。不過可以小小的幻想一下，也許未來的「植物人」也許真的晒晒太陽就能活了？

最後奉上中科院的一個關於人工模擬光合作用的視頻。
視頻封面

人工光合作用及太陽能利用1視頻

參考資料：
[1] MIT Unveils Artificial Leaf That Creates Hydrogen Fuel from Sunlight
[2] 人造光合作用_互動百科
[3] 氫能或電能驅動的人工光合作用固定CO_2合成糖
[4] PLOS ONE: Towards a Synthetic Chloroplast

深夜看到這個問題不禁精神了起來。因為本身從事相關的研究，所以想寫點兒什麼。

在化學領域，對光合作用的研究是個非常大的領域。現在主要分為兩個方向：自然光合作用體系（Natural photosynthetic system）和人工光合作用體系（Artificial photosynthetic system）。從化學的角度對自然界光合作用的模擬一直以來是從事相關研究的專家學者們所關心的問題，也是我們在設計人工光合作用分子體系時靈感的來源。

關於綠色植物和光養細菌內發生的光合作用，到今天為止科學家們還沒有很完整地從分子水平來理解——也就是說，化學家們還無法清晰地回答「到底光合作用是怎麼發生的」這個問題。綠色植物吸收光後將光能儲存為化學能（這是不同於光伏體系的地方，光伏體系將光能直接轉化成電能），是我們已經觀察到的現象。但是這背後的分子機理依然有待進一步解釋。從一個簡單的模型上看，化學家們把光合作用分為四個步驟：

1. 光能捕獲（Light harvesting）：自然界中通過蛋白質和一些有機小分子chlorophylls（主要是卟啉衍生物）組成的光能捕獲複合物（light-harvesting antennae）將太陽光吸收，並通過能量轉移反應將吸收的光能定向轉移至反應中心（reaction center）從而進行下一步。由於我老闆在這行算是有所見地的研究者，我現在在做的項目就是設計合成新的系統從而為我們理解這一過程的本質提供模型。
2. 電荷分離（Charge separation）：這一步是在反應中心中進行的，通過分子間電子轉移，得到了分子層面的電荷分離態。這裡的機理比較深，略去不表。但這一步非常重要，因為將光能轉化為化學能（具體地說是電化學勢能）就是在這一步發生。電荷分離後電子和正電空穴向兩個方向移動從而進行下面兩個不同的反應（這裡的」方向「僅僅是定性意義）。
3. 水的氧化（Water oxidation）：由反應中心產生的正電空穴進一步被投入到由催化劑引發的水氧化分解，生成氧氣和氫離子。在自然界中，水分解催化劑具有一鈣四錳的化學特徵。
4. 二氧化碳固定或者其他還原反應（Carbon fixing or proton reduction）：由反應中心產生的電子被傳輸過來進行一系列還原反應，包括自然界中的二氧化碳固定以及人工光合作用體系中的氫離子還原生成氫氣。

上面這四個步驟，每一個都吸引了一大批包括化學家在內的科學家們。而人工光合作用體系就希望通過模擬自然界光合作用體系或者根據光合作用的基本原理，設計出微觀甚至宏觀尺度的」器件「從而實現高效、快速地將光能儲存為化學能以進一步利用。我們試圖回答的問題包括但不限於：

1. 如何能夠使人工合成的光能捕獲系統可以高效的吸收不同波長的太陽光（全色譜吸收，panchromatic absorption）並且能將能量高效、快速、定向地傳遞出去？
2. 如何設計合理的反應中心從而得到穩定、長壽命的電荷分離態，從而實現對這種電化學勢能的多樣利用？
3. 如何實現快速低能地水氧化？（熱力學上水生成氧氣是個能量升高的反應）
4. 如何選擇合適的還原反應將能量儲存入燃料？（人工體系不必拘泥於二氧化碳的固定或者造氫，雖然這些依然是研究主流）

當然近二十年的研究給我們帶來了許多許多新的問題，很多還很棘手。不過很多科學家們都將目標關注於」高效、快速「，因為這正是自然界早已做到但我們卻一直無法理解的地方。所以人工模擬光合作用，一方面是開發新能源的實際意義，另一方面是讓我們能夠更好地理解自然的理論意義（事實上對我來說，我更關注於後者）。

現在人工模擬光合作用在化學領域的研究已經取得非常大的進展，甚至可以說已經到達一個瓶頸。在分子層面，已經有非常非常多的有機、無機結構被設計合成出來，並且絕大部分都具有良好的性能。不僅如此，這些分子背後的物理化學機理也相當成熟，計算化學也在這個領域做出了巨大的貢獻。但是，真正像自然界一樣，將這些獨立的組成部分整合到一起，並使之互相兼容且正常的運轉，卻顯得非常困難。化學家在研究各個部分的時候，只針對某一個部分進行優化，卻無法顧及整合時所產生的兼容性問題，導致了今天這個局面。這並不是科學家們的疏忽，而是一直以來的研究思路和手段的限制。我以為，能夠將這些已有的研究成果，無論是基本原理還是合成結構，良好地整合統一併正常工作，是接下來一代甚至幾代科學家所需要完成的。這絕不是一個簡單的任務，因為這不僅要求研究者有著良好地化學背景（有機化學、無機化學、物理化學、計算化學等等），在進一步擴大器件尺度的過程中還會遇到更多非化學問題。

但是總的來說，向自然界學習，解決太陽能向化學能轉化儲存的問題，人工模擬光合作用已經是一個非常成熟的理念了。只不過從科學研究的角度上看，這個領域還有待成熟。

可以。利益相關：水光解在讀博士。
先貼幾張圖挖個坑。
這是今年Jingshan Luo師兄剛發的一篇Science: Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts
中文報道如下：Science：使用鈣鈦礦電池和鎳鐵電極獲得12.3%的太陽能制氫效率----中國科學院
其實原理很簡單，將太陽能電池跟催化電極（此處為陽極）捆綁，吸收太陽能轉化為氫氣跟氧氣。模型圖如下：

效果圖如下：

對，看起來像霧狀的就是氫氣跟氧氣。

對，看起來像霧狀的就是氫氣跟氧氣。
理論上水的電解電壓在1.23V，但實驗中大概需要1.7V以上才能達到。而催化電極能吸收太陽能，產生光電子和光空穴，降低起始電壓，降低電能輸入。理論上來說，利用TiO2作為催化陰極，可以在無外加電壓下發生水光解。
之前有位答主關於光伏電池效率的回答有小小的瑕疵。單晶硅的理論極限效率為29%，但是通過有不同能隙的材料的疊加，效率就能突破硅的理論極限。下圖所示為1974至2014年太陽能電池效率。請留意淺橙色黃心圓所示的鈣鈦礦電池（Perovskite cells）。這是近幾年剛興起的熱門材料，上面所說的Science文章就是利用這種電池作為電壓來源。

下圖為染料敏化電池商業化產品：

加州大學伯克利分校的楊培東先生就是做這方面工作的，納米人公眾號在做過專題。總體來說，是以楊培東先生擅長的納米材料為基礎，利用納米材料捕獲光能，然後進一步實現光解水以及進一步二氧化碳的反應。

Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion
這是楊培東先生在PNAS上撰寫的綜述，詳細介紹了近幾年在生物無機材料在人工光合作用上的進展

這個就是綜述總提到的一個套路了，先利用納米線捕獲光能，最後光產氫，產生的氫氣進一步與二氧化碳反應，產生有價值的產物（比如：甲烷）。

Nanowire-Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals
這篇文章是楊先生2015年在Nano Letters上發表的工作。和綜述描述類似，利用納米線捕獲光能，然後光解水產生氫離子，最後進行二氧化碳還原，產生乙酸，最後進一步反應，得到各種經濟產物。

Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production
這篇文章是楊先生16年發表的Science，這個套路就不一樣了，半人工半自然可持續光合作用。首先在熱醋穆爾氏菌表面自組裝上光敏感的CdS晶體，然後在CdS的作用下，捕獲光能，像細胞內輸送氫離子，在細胞內進行二氧化碳的還原，產生乙酸。

Cysteine-Cystine Photoregeneration for Oxygenic Photosynthesis of Acetic Acid from CO2 by a Tandem Inorganic-Biological Hybrid System 這篇文章應該就是Science那篇文章的後續，做了一定的改進，一作都是同一個人。
Spectroscopic elucidation of energy transfer in hybrid inorganic-biological organisms for solar-to-chemical production 這篇PNAS也是介紹的類似的二元半人工半天然光合作用系統

其實拋開人工光合作用的話，二氧化碳的還原一直就是一個很熱門的話題。下面附上幾篇楊培東先生在二氧化碳還原上的近期工作
Structure-Sensitive CO2 Electroreduction to Hydrocarbons on Ultrathin 5-fold Twinned Copper Nanowires
Directed Assembly of Nanoparticle Catalysts on Nanowire Photoelectrodes for Photoelectrochemical CO2 Reduction
A Molecular Surface Functionalization Approach to Tuning Nanoparticle Electrocatalysts for Carbon Dioxide Reduction

從1772年英國化學家Priestley的蠟燭燃燒實驗（初中生物講過）開始至今，光合作用的研究已經持續200多年之久，相關領域的學者拿諾獎也有好幾回了，當然現在仍然有諾獎潛力。在生物分子水平上我覺得很多結構上的東西已經慢慢清晰了，如葉綠素a,b的空間結構，到了化學反應過程還是一知半解，如果深入扯到物理機制，量子理論的東西，那就是得去 nature， science找幾篇綜述，再腦補量子力學才能懂一點點的節奏了。據我所知，光合作用光反應中電子能量傳遞效率很高，近乎100%，這個是我們期待能深刻理解並開發應用的一個關鍵環節。光合作用的機理研究現在還是很熱門，人工光合作用方面也有一大波人在做，模擬出來應該是可以的，只是複雜程度和反應過程可能連發現者本人也不能講得十分明白，畢竟上帝創造光合作用的代碼程序我們還沒有辦法拿到。如果上升到產品化器件化的問題，我貌似還沒了解到有相關的產品，因為此時需要考慮成本和工藝的產業化，蠻燒錢的，如果弄出來的產品大家都買不起，那就還有很多開發和優化的空間。最後插幾句話，上帝向我們展示了如此高效的能源技術，使得我們得以生存，我們期待人工光合作用實現後可以在未來部分解決能源短缺的問題，但對於人類來說最好的生存方式仍然是綠樹藍天，最優的能源利用依然是大自然光合作用。

應該是可以的，現在有人在做這方面的研究，但人數不多，而且並沒有出來可以實際廣泛應用的結果。
本人大三，在跟一個導師做SRTP（類似國創的一個項目）。我們項目的名稱是《光合作用放氧中心的化學仿生》，我們實驗室是生物無機實驗室，但我們主要做的東西確實有機合成和配位化學。
目前，人們發現光合作用光反應生成氧氣的階段主要是在放氧複合物上發生，放氧複合物的核心是一個鈣錳簇。我們導師的項目就是通過化學仿生的方法去模擬這個核心結構。我們的思路是先通過有機合成的方法合成一個多齒配體，讓這個配體與金屬配位，培養單晶，之後在研究這個單晶的性質。但是我們實驗室目前主要還是在做第一步和第二步，實驗室里還很少有師兄師姐能培養出單晶，更不要說去研究其性質了。
這方面國內做這方面的人比較少，大連理工的2個老師好像做出了些成果，中科院的一個物化研究所好像也作出點成果。國際上，加州理工大學的一個教授做出了成果，做出了配合物，但好像是他們合成的配合物的生物活性比較低。
我大概就知道這些，至於光合作用中其他的步驟的研究我就不太清楚了。
第一次回答與專業有關的問題，如果有說的不對的地方大家多多指教。。。

發個新聞：
2月9號，哈佛大學的科學家團隊在美國國家科學院院刊上刊發論文展示了他們最新的成果，他們在諾塞拉的仿生樹葉這個系統中，新加入了一種細菌，把分離出來的氫氣和二氧化碳結合，成功地合成了異丙醇，就是俗稱的「火酒」，一種液體燃料。這個成果，被認為是新能源革命路上重要的一步，諾塞拉表示，他們的目標是讓人們擁有僅靠陽光和水就可以驅動的個人能源站，而目前，他們緊接下來的挑戰是通過改良催化劑和細菌進一步提高這種仿生樹葉對光能的轉化效率。

[新聞直播間]美科學家利用仿生樹葉實現「水變燃料」

可以實驗室條件已經可以實現民用還有很長的路要走

我認為「模擬」包含幾個要素：同樣的原理、過程、環境、效率。

既然目前原理還不清楚，只能通過其他手段實現類似結果，環境、過程、效率都大不相同，只能稱為「效仿」，談不上「模擬」。

可以看看納米大牛楊培東的文章，被稱為最有可能拿諾獎的發明，當然現在還是處於無機有機模擬階段，相信在不遠的將來，人類是可以實現真正的人工光合作用。

染料敏化太陽能電池（DSSC）

今天看到下面這兩篇文章，突然想起來看到過這個問題。。。

Architecture of the Photosynthetic Oxygen-Evolving Center

A synthetic Mn4Ca-cluster mimicking the oxygen-evolving center of photosynthesis

後面那篇文章是中國的學者做出來的，技術上來說真的不是trivial的問題。。。感覺碉堡了！

要看這個催化中心能不能大規模的合成，工藝上可以提高的話，實用的人工光合系統應該就算是可以實現了。

要不你以為人體光合作用吧是幹嘛的。

植物大戰殭屍

理論上可以被模擬，但是光的利用率偏低，自然界光合作用的利用率在1%上下。而類似的產品光伏電池可以達到27%上下（最近還有提高），所以即使人工光合作用的利用率能有所提高，也還很難達到光伏電池的水平，所以就缺乏去做的動力了。