一些致力于减肥的妹子们想象自己不吃饭，光靠晒太阳就能活下来。这个想法常常被身边的人破坏：光靠晒太阳就能活下来的那得是天生就会光合作用的植物好吗！

其实，科学家早就脑洞大开，试图用化学、生物的方法，来人工模拟光合作用。这可不是为了减肥只晒太阳不吃饭，而是为了解决人类的终极难题——能源问题。

光合作用到底是咋回事儿

大家都知道，植物和动物、人类都不一样，它们不是通过食物摄入能量，而是直接从阳光中获得能量。更厉害的是，它们在光合作用中吸收了二氧化碳，释放了氧气。真心是“吃进去的是草，挤出来的是奶”的劳模典范！

用科学家的话来说，光合作用是含有叶绿体绿色植物、动物和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物。

从能量转化的角度来看，光合作用是把光能转变为化学能的过程。

大家知道，绿色植物之所以是绿色的，就是因为它的叶片中有叶绿素。光照条件下，叶绿素先通过一系列化学反应，把光能转换成电能和一些不太稳定的化学能，又经过复杂的化学反应，这些不稳定的化学能，能转化为稳定的化学能。所以，要模拟光合作用，就要人工复制这个过程。你说容易吗？

经过上百年的研究，科学家逐渐发现光合作用的化学反应实际上是一个“接力跑”。第一步反应会给后续反应提供活泼的反应物，当后续反应拿到“接力棒”时才会继续跑下去。

水裂解：关键一步

那么，今天我们从第一步反应说起，即“光反应”。光反应的参与者包括水、二氧化碳和阳光。科学家发现，水的裂解算得上光合作用接力赛的“发令枪”，是最最关键的一步。我们知道，水分子是由氢、氧两种元素构成。植物在光合作用的过程中，能将水分子打开，释放出氧气，同时获得带正、负电荷的两类基团，这个过程就被科学家称为“水裂解”反应。

这两类基团因为性质比较活泼，会继续参与光合作用后面的化学反应。

然而，水是性质稳定的物质，它的裂解要么有非常强大、苛刻的外力，比如高温高压，要么有合适的催化剂参与。经过数十亿年的进化，自然界在光合作用中，形成一种被称为“光系统II”的酶。

这是目前人类所知唯一能够利用太阳能高效、安全将水裂解的生物催化剂。如果能够人工合成出这类催化剂，科学家距离人工模拟光合作用就不再遥远了。

看清“光系统II”

面对大自然，人类多半只算得上一个知之甚少的学童。植物体内的这种酶实在太过复杂，人类连它的精确结构都难以看清，更不用说人工合成。

经过多年的科学研究，科学家们逐渐推测出这种酶能够发挥作用的关键结构，也就是它的催化中心。

一方面，科学家通过理论分析，在计算机上预测这种催化中心的结构和催化机理。经过越来越精确的计算，科学家们推测，这个催化中心可能是有钙离子的立体结构。

另外一方面，科学家也在不断钻研显微技术。2011年，一名日本学者最终通过高分辨率光系统II 晶体结构研究，确认了“水裂解催化中心”的结构。这种催化剂是四个锰离子和一个钙离子及多个氧原子组成的不对称金属簇，外周分布了复杂的配体。

人工合成自然界唯一的水裂解催化中心

但是，如此精妙的结构也不是你想合成就合成的。化学家分析，人工合成“水裂解催化中心”的难点是如何使锰原子和钙原子能稳定连接，如何形成不对称的骨架结构，如何模拟出酶工作的生物环境等等。

针对这些科学难题，中科院化学所研究员张纯喜从2011年起尝试对“水裂解催化中心”进行人工模拟。在分析了足够多的资料后，他们只利用了高锰酸钾、醋酸锰、醋酸钙及相关有机酸等简单廉价的化学试剂做原料，在简单的化学实验装备中，经煮沸、重结晶等系列过程处理，得到了可能含有目标产物的混合物。

最终，经过高难度的分离，科学家们如愿以偿得到了一个简化版的“水裂解催化中心”。

但是，人工合成“水裂解催化中心”的工作才刚刚开始。目前，科学家仍在继续围绕“水裂解催化剂”的结构和性质展开研究，希望能够完全拷贝自然界的作品。

结语

从光合作用到水裂解、光系统II再到催化中心，科学家对光合作用的人工模拟也才进行到制造“发令枪”的阶段。催化中心的合成成功，距离人工模拟光合作用起码还要跨越几个台阶。靠晒太阳获得能量的想象至少在很长一段时间的未来，都只能是科幻电影里的想象。

不过，科学家说了，成功合成水裂解催化中心是新的开始。不管难度多大，他们都会迎难而上。