發電廠

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縱觀歷史,許多文化都崇拜太陽賦予生命的能量。但事實上,我們應該頂禮膜拜的不是太陽本身,而是那些學會了如何採集太陽強大能量的植物。

想想看。你曾經吃過或將要吃的所有東西,最終都可以追溯到進行光合作用的生物。 “光合作用”這個詞本身就說明了一切:“從光中創造”。 而我們呼吸的寶貴氧氣正是這種創造的副產品之一。

已知最古老的化石是藍藻細菌的化石,這些微小的生物在35億年前進化出了將水、二氧化碳和陽光轉化為糖的能力,這種神奇的分子為所有細胞生命提供能量。透過與另一種更復雜的細胞的偶然相遇,藍藻細菌最終孕育了今天被稱為植物的生物的祖先。今天,那些殘留的藍藻細菌被稱為葉綠體。


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大多數人都知道植物吸收水和二氧化碳,產生碳水化合物和氣態氧氣。 但經常被誤解的是氧氣分子的來源。 它們來自水分子的分解,而不是二氧化碳。

光合作用的第一步利用太陽光的能量將水分子分解成其基本組成部分;一個氧原子和兩個氫原子。 被稱為“光系統II”(之所以這樣命名,是因為它是在過程的第二步,光系統I之後被發現的),氫質子從水分子中剝離出來,兩個氧原子結合在一起作為廢物釋放出來。

當帶正電的質子在膜的一側積累時,就會形成一種化學電池,其電力隨後用於產生富含能量的分子ATP,而ATP又被用於將二氧化碳固定成糖類,從而為地球上幾乎所有生命提供能量。

現在,佐治亞大學的研究人員已經找到了一種方法來利用這些最古老的發電廠。透過將菠菜植物中分離的葉綠體膜耦合到碳奈米管上,拉馬拉賈·拉馬薩米及其同事成功地在光照射到樣品時產生了微小的電流。

透過重組分解的水分子中的氫原子和氧原子來發電的能力已經存在很長時間了。 被稱為燃料電池的這些發電站已被NASA使用了幾十年,為航天器供電。 它們也被用作備用應急發電機,或用於那些脫離電網但仍需要電力的地方。 大多數希望利用綠色植物為我們未來的經濟提供動力的研究人員都專注於收集光合作用分解水時產生的氫原子,然後在燃料電池中重新組合這些原子;以水為唯一的副產品發電。

拉馬薩米博士的裝置透過直接從植物材料本身發電來解決整個問題。 他說:“我們已經開發出一種方法來中斷光合作用,以便我們可以在植物使用電子製造這些糖之前捕獲它們。”

目前,以這種方式產生的電量仍然很小,但潛力巨大。 從植物葉綠體為我們國家的城市和工廠供電在短期內不會實現,但在不久的將來,這項技術可能會在偏遠或孤立的地區實現發電,即使是少量的電力也足以產生影響。

三十五億年前,藻類憑藉其獲取近乎無限的陽光的能力,永遠改變了地球上生命的程序。 它們可能準備再次這樣做。

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Mark Farmer is Professor of Cellular Biology at the University of Georgia where he teaches introductory biology and conducts research on the origin of eukaryotic cells. A native of New Jersey he has lived in the south for nearly 30 years. When not writing about science he enjoys hiking and SCUBA diving as well as eating non-vegetarian meals when his wife is out of town.

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