美國科學家突破「光合作用」極限

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原文：美國科學家突破「光合作用」極限，或可解決地球及星際旅行糧食問題

作者 YAP KUO | 發布日期 2022年08月08日 8：30

雖然植物光合作用是地球多數生命維生關鍵，但光合作用利用陽光的效率很低，僅約1%陽光能量存於植物內。最近美國加州及德拉瓦州科學家發明嶄新光合作用反應途徑，提高能量使用率達18倍！如果將系統用在提高作物生產效率，可降低農業對環境的衝擊。成果6月刊登於《自然─食物》（Nature Food）期刊。

植物光合作用效率尚有改善空間

植物、藻類的葉綠體光合作用是利用太陽光能量，將環境吸收的二氧化碳和水轉化為碳水化合物（如纖維素、澱粉、糖等），除了提供自己生長養分，也為其他生物的食物來源。雖然光合作用在自然界歷數億年演化，但其實植物光合作用效率並不高，只有約1%陽光能量保存於植物內。雖然植物滋養地球無數生命，但若能提高光合作用效率，可更提高農業產量，間接降低對環境的衝擊。

人工光合作用

最近加州大學河濱分校（University of California─Riverside）和特拉瓦大學（University of Delaware）科學家合作新技術，先使用電解器（electrolyzer）將二氧化碳和水轉化為醋酸離子（CH3COO−），隨後藻類、酵母菌、蕈類及萵苣等就算黑暗中也能利用含這些醋酸離子的營養液成長。研究團隊成功擺脫人類對植物光合作用的依賴，可讓各種經濟作物成長茁壯，這類模仿生物自然光合作用的化學技術稱為「人工光合作用」（Artificial Photosynthesis）。與光合作用相比，人工光合技術培養藻類的能量效率高約4倍；培養酵母菌能量效率更比傳統法高約18倍。

一場演講催生嶄新研究

促成本次合作研究的是2018年秋天學術演講激盪出的火花。任教於特拉瓦大學的華人科學家焦鋒教授前往加州大學河濱分校（University of California Riverside）演講，展示如何利用電解器將二氧化碳轉化為其他有機分子，也在場聽演講的助理教授Jinkerson聽到可使用這種方法製造醋酸時精神一振，因他正想研發不依賴植物光合作用的植物栽培技術，兩個研究團隊一拍即合，迅速展開合作。

合作沒多久，挑戰旋即浮現。研究團隊很快發現，焦鋒教授生產的醋酸溶液含過高濃度鹽類，完全不適合藻類、真菌或植物生長。焦鋒團隊再將電解二氧化碳程序改良為兩步驟（Two-Step）反應：先將二氧化碳轉化為一氧化碳，然後將一氧化碳轉化為醋酸。如此才生產出適合的醋酸溶液。

獲得NASA青睞

此研究成果突破植物光合作用的極限且具極大應用空間，通過「外太空食物挑戰賽」（Deep Space Food Challenge）第1階段考驗，獲得2.5萬美元獎金。挑戰賽是美國太空總署NASA及加拿大太空總署（Canadian Space Agency）協辦的國際競賽，獲獎團隊必須創造新穎且顛覆未來的糧食生產技術，且技術必須高效使用能源，並提供長期太空任務所需的安全營養且美味的食物來源。

科技進步永無止境，也許有一天，人工光合作用技術真能幫助實現人類於太空種植作物的願景。在此之前，或許能先幫助解決農業大規模生產對地球生態的衝擊及污染。