將水、二氧化碳、以及陽光轉換成氧氣與能量的過程幫助植物自然地生長。而這個過程,也是科學家在注視著的,希望可以運用並改良,來產生食物、燃料、以及更多東西。

實驗設計

在一項新研究中,科學家們描述了一個實驗性人造光合作用技術,其部署了一道兩步驟電催化過程,來將二氧化碳、水、以及太陽能板所產生的電力轉成醋酸鹽(acetate,醋的主要成分)。接著,這些醋酸鹽能被植物所利用,來幫助生長。

事實上,研究人員在此所設計的系統不僅僅只是試圖要模仿大自然中發生的光合作用,還要真的改善它:在植物當中,只有大約 1% 的太陽能可真的被轉成植物生物質(biomass),但在此,效率可以乘上四倍。

加利福尼亞大學河濱分校(University of California, Riverside,UC Riverside)的化學與環境工程師的羅伯特·金克森助理教授(Robert Jinkerson)說:「藉由我們的方法,我們尋求辨識一個產生食物的新方法,可以突破生物光合作用通常施加的限制。」

由研究人員所研發的電力轉換設備或是電解槽必須要特地優化,來讓其作為生產食物的有機體的生長動力來源。這在一定程度上代表說,增加醋酸鹽的量,並降低產生的鹽量。

實驗結果

由研究團隊進一步進行的實驗顯示,充滿醋酸鹽的電解槽的輸出可以協助產生多種有機體,包括綠藻、酵母菌、以及產生蘑菇的菌絲體(mycelium)。做比較的話,用這個方法生產藻類的能量效率,是自然光合作用的四倍。

科學家們展示說,豇豆、番茄、米飯、油菜以及青豆作物都能夠運用碳酸鹽中的碳,並在沒有陽光之下生長。這項程序能夠與正常光合作用一起使用,也可以取而代之。

UC Riverside 的植物學與植物科學家馬可斯·哈蘭·唐那維(Marcus Harland-Dunaway)說:「我們發現,很廣泛的作物都可以攝取我們提供的醋酸鹽,並將它們建成有機體需要用來成長與繁茂的主要分子構成單元。藉由我們目前在努力中的育種與工程,我們或許能夠將醋酸鹽作為額外的能量來源來種植作物,以提升作物產率。」

未來展望

這邊所描繪的過程是如此令人印象深刻,以至於它成為了美國太空總署(NASA)「外太空食物競賽」(Deep Space Food Challenge)的得主之一。外太空食物競賽是一場新興技術的展示,而這些技術可能有一天會幫助在太空中種植食物。比方說,試著想像能夠在火星的地下地堡中種植作物。

人造光合作用不是只有在太空中才可能對食物的生產產生巨大改變。氣候危機代表說極端氣溫、乾旱、水災、以及其他對標準農業實務會造成威脅的事物都會變得越來越頻繁。

雖然像這樣的技術,並不是拿來說就不用應付氣候變遷的藉口,但是它們可以幫忙讓食物生產變得更有彈性,且代表說作物可以種植在更多地方,或許在更都市的地區。

金克森助理教授說:「使用人造光合作用方法來生產食物,這可能會對我們如何餵養人們的模式造成改變。藉由增加食物生產的效率,需要的土地可以更少,可以減少農業對環境所造成的影響。而對在例如外太空等非傳統環境中的農業活動而言,增加的能源效率,可能可以在更少的輸入下,餵養更多的組員。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2022, July 6). NASA Prize-Winning Experiment Could Be the Future of Artificial Photosynthesis. ScienceAlert
  2. Hann, E. C. et al., (2022, June 23). A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production. Nature Food. doi.org/10.1038/s43016-022-00530-x
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-have-successfully-demonstrated-artificial-photosynthesis(圖:Hann et al, Nature Food 2022)
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