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植物使我們所知的生命成為可能。這一切都始於植物葉片內微小的細胞器，即葉綠體。這些葉綠體——最早的光合作用生物藍細菌的衰退後代——利用入射的陽光分解水分子，然後將富含能量的碳和氫化合物結合在一起，這些化合物存在於從食物到化石燃料的一切物質中。剩餘的“廢物”是我們和所有動物王國賴以生存和繁榮的氧氣。
但是葉綠體的效率不是很高。它們不能很好地吸收綠光（這就是為什麼大多數植物看起來是綠色的）以及太陽的熱量，也稱為紅外光。它們通常浪費的光照比它們利用的光照要多得多；光合作用最多隻能利用大約 10% 的入射陽光。那麼，為什麼不給植物以及它們葉片光合作用機器中的葉綠體增強一下功能呢？
這正是化學工程師和生物化學家小組在一項新研究中嘗試做的事情，他們將單壁碳奈米管——比人類頭髮還細微小的管子，也可以吸收陽光並將其轉化為電子流——嵌入活的葉綠體中。該論文發表在 3 月 16 日的《自然·材料》雜誌上。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
“長期以來，植物為我們提供了有價值的產品，如食物、生物燃料、建築材料和我們呼吸的氧氣，”植物生物學家、現已轉行成為化學工程師的胡安·巴勃羅·吉拉爾多指出，他是麻省理工學院研究實驗室的博士後研究員，完成了這項工作。“我們將它們設想為用於太陽能收集、自修復材料[和]汙染物、殺蟲劑、[和]真菌和細菌感染的化學探測器的新型混合生物材料。”
首先，研究人員從一些菠菜葉中提取了葉綠體，並將其放入糖溶液中。然後，研究人員引入了碳奈米管，當用 DNA 處理使其帶負電荷或用殼聚糖（一種構成昆蟲外骨骼的材料的衍生物）處理使其帶正電荷時，碳奈米管會嵌入細胞的脂肪壁中。據研究人員稱，這種滲透在幾秒鐘內發生，不需要熱量、催化劑或任何其他東西。此舉似乎也是不可逆轉且徹底的。在這些實驗中，沒有奈米管殘留在葉綠體外部漂浮。
更棒的是，這個技巧也適用於活植物中的葉綠體。引入的碳奈米管找到了擬南芥葉片中的葉綠體，擬南芥是一種在類似研究中經常使用的小型開花植物。也許更重要的是，在幾周的時間裡，它沒有殺死葉片或植物。
如果奈米管可以用於將特定功能的 DNA 包裹物輸送到葉綠體中，那麼僅這一發現就可能被證明是有意義的。例如，研究人員使用奈米管將奈米尺寸的二氧化鈰顆粒（一種由稀土金屬鈰和氧組成的化合物）輸送到葉綠體中。然後，奈米二氧化鈰似乎有助於去除光合作用過程中產生的一些氧氣，這些氧氣通常最終會破壞細胞機制。
但是碳奈米管本身也似乎以某種方式使光合作用變得更好，完全依靠自身。六小時後，含有碳奈米管的葉綠體的光合作用速率比未處理的葉綠體高出三倍，包括將陽光釋放的電子傳輸增加 49%。吉拉爾多解釋說：“我們已經證明，碳奈米管促進了葉綠體內部光能向電子轉移的轉化。” 然而，“它們是否會影響光合作用的最終產物尚不清楚，”這意味著對植物食物（如葡萄糖等糖類）的最終生產的影響仍然不明朗。
該技術在分離的葉綠體以及仍在葉片中的葉綠體中都有效，儘管確切的機制也尚不清楚。吉拉爾多和研究小組的其他成員認為，最可能的解釋是碳奈米管吸收了更多的陽光並將電子提供給光合作用過程，或者奈米管可能正在加速光合作用過程中電子的轉移。但要證明這一點還需要更多的工作。
奈米管還表明，它們可以用作感測器。帶有奈米管的樹葉在紅外光下會發出熒光，但在一氧化氮（一種植物和汙染中常見的化合物）存在的情況下會停止發光。吉拉爾多說，這種“仿生”植物可以用作“用於監測城市、農田、機場或高安全設施中的環境條件的生化探測器”，他指出，這種感測器也可以像植物一樣自我修復。
最後，該研究表明，用碳奈米管增強的綠色植物有可能從陽光、空氣和水中產生更多物質，儘管新增這種奈米材料既費力，也可能對整個植被以及環境產生未知的長期影響。昂貴的碳奈米管可能需要很長時間才能在土壤中找到歸宿，以幫助提高農作物的產量，農作物會透過根部吸收它們。
與此同時，一個想法可能是將研究退後一步，看看碳奈米管是否對所有葉綠體的根源產生類似的影響：藍細菌，吉拉爾多說。畢竟，如果奈米顆粒可以促進這些簡單細胞生物中的光合作用，那麼從藻類中提取的燃料、食物和其他產品可能會變得更可行。