光合黑科技：让绿色能源不再遥远

光合黑科技：让绿色能源不再遥远

引用

科学网

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来源

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https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/10/532520.shtm

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https://www.chemsoon.com.cn/article/282.html

在科技飞速发展的今天，科学家们正在尝试用各种"黑科技"来提升植物的光合作用效率。这些技术不仅有望解决粮食安全问题，还可能彻底改变我们的能源结构。让我们一起来看看这些令人惊叹的科技创新吧！

在自然界中，大约30万年前，一些植物进化出了一种更高效的光合作用方式，被称为C4光合作用。与传统的C3光合作用相比，C4光合作用具有两大优势：

1. 避免了20%的氧气使用错误，节省能量
2. 减少水分流失，更适合在炎热干燥的环境中生长

目前，约8000种植物使用C4光合作用，包括玉米和高粱等重要作物。而水稻、小麦等主要粮食作物仍使用效率较低的C3光合作用。

最近，美国索尔克研究所的科学家们通过单细胞基因组学技术，揭示了C4光合作用的进化机制。他们发现，C4植物通过一个名为DOF的转录因子家族，将束鞘细胞的基因与光合作用基因关联起来，从而实现了更高效的光合作用。

这一发现为通过基因编辑技术改造C3作物提供了新的可能性。未来，我们或许能让水稻和小麦等作物也拥有C4光合作用的"超能力"，从而提高产量，增强对气候变化的适应能力。

在自然界中，植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，但这一过程的效率只有1%左右。为了解决这个问题，科学家们正在开发一种名为"电农业"的新技术。

这种技术的核心是利用太阳能驱动的化学反应来替代自然界的光合作用，将二氧化碳直接转化为植物可以利用的有机分子——醋酸盐。通过基因工程手段，让植物能够吸收这些有机分子作为能量和碳源。

美国华盛顿大学圣路易斯分校的研究团队已经取得了突破性进展。他们通过重新激活植物萌发期间的代谢路径，让一些植物能够在不依赖光合作用的情况下利用醋酸盐生长。据估计，如果全美的粮食作物均采用"电农业"的方式生产，所需耕地面积将大幅缩减达94%。

在人工光合作用领域，金属有机框架材料（MOFs）的应用展现出了巨大潜力。美国芝加哥大学的研究团队开发出一种新型人工光合作用系统，其效率比现有系统高出一个数量级。

该系统通过将MOFs设计成单层结构，为化学反应提供最大表面积，并在其中添加氨基酸，显著提升了水分解效率和二氧化碳还原效率。这一突破不仅可以用于生产燃料，还可以广泛应用于药物和尼龙初始材料的制造。

在这一轮科技创新浪潮中，中国科学家也在积极贡献智慧。例如，西湖大学的孙立成教授长期从事太阳能燃料与太阳能电池领域的研究，在人工光合作用关键科学问题上取得了重要进展。

中科院化学研究所开发的电驱动光合作用系统，通过调控电压和光照时间，能够精准控制光合作用速率，显著提升ATP和NADPH产量。这些研究成果将为我国的农业生产和能源转型提供重要支持。

这些前沿科技正在逐步将科幻变成现实。通过提升光合作用效率，我们不仅能提高农作物产量，保障粮食安全，还能生产生物燃料和其他高附加值产品，为实现可持续发展提供重要支持。

虽然这些技术目前仍面临一些挑战，但随着研究的深入，我们有理由相信，这些"黑科技"将为人类带来更加美好的未来。正如一位科学家所说："最终目标是尝试启动C4光合作用，从而为未来创造更高产、更坚韧的作物。"