张纯喜：为绿色能源求解，人工光合作用_新浪财经

安装新浪财经客户端第一时间接收最全面的市场资讯→【下载地址】

　　新浪财经讯主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第39期现场演讲于2020年10月24日在北京举行。来自中科院化学研究所张纯喜研究员出席并以《为绿色能源求解：人工光合作用》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　二十一世纪人类面临很多重大的挑战，能源和环境问题是困扰我们人类社会可持续发展两个最重要的问题。

　　要解决这些问题，显而易见的，我们人类需要清洁能源。清洁能源，可能每个人都有不同的想法，但是有个最理想的方案，如果我们能够利用地球上最丰富的能源—太阳能，裂解地球上最丰富的物质——水，产生电能或者氢能，可以一劳永逸地解决能源和环境污染问题。但是非常遗憾，目前我们人类还无法实现大规模地利用太阳能将水裂解，产生清洁能源，其根本瓶颈所在，是我们人类还无法实现利用光将水非常高效，安全，而且很廉价地裂解。

　　但是大自然在30亿年前就给我们提供了一个理想模板，这就是光合作用。

　　光合作用实际上每一个中小学生都知道，植物的叶片，光合作用发生的场所是叶片中的叶绿体。我们今天要讲的是把叶绿体再放大1万倍，它的类囊体膜上有四个非常关键的酶蛋白，如果没有这些蛋白就不会有光合作用。

　　光合作用之所以能够将光能转换为化学能，然后进一步合成我们所需要的糖类，并释放出氧气，那么所有的过程都跟这四个酶密切相关。

　　我们今天想讲的是光合作用的源头，它有一个酶叫光系统Ⅱ。这个酶是自然界唯一一个能够高效地将水裂解，产生氢能，为整个光合作用以及整个植物，乃至地球上所有的生命所使用。如果没有它，地球上将不会有生命。所以对光系统Ⅱ的研究，长期以来就极其受关注。

　　半个世纪以来，全世界的科学家都想研究它为什么能够高效地利用太阳能将水裂解，产生生物的清洁能源？

　　说高效，它的效率有多高？它的反应中心每吸收一个光子，它一定会从水里面拿走一个电子和一个质子，当然同时还释放氧气，它的光能转换效率是100%，目前我们任何人工系统都根本没法和它相媲美。

　　我本人从1997年以来和很多科研工作者一道，我们非常想知道光系统Ⅱ里面为什么能够进行如此高效地利用光从水里面夺取电子和质子，进而释放出氧气？

　　今天我们讲光系统Ⅱ很复杂，它里面一个最特殊的，也是光系统Ⅱ最重要的一个功能，就是“水裂解催化剂”，它学术名词又叫OEC（Oxygen—Evolving Center）。在六十年前，人类就已经知道了植物叶片中有这个催化剂；在五十年前就知道了这个催化剂有五种状态；在四十年前，人类就已经知道了它由4个Mn离子和1个Ca离子所组成；在三十年前，大家知道在水裂解过程中，它每一步电子、质子如何转移，如何释放，以及这里面最关键的锰离子的价态变化，但是大家不清楚的是它的结构。

　　当1997年我进入这个领域的时候，我和所有的人一样，都非常困惑，这个结构究竟是什么呢？

　　说起来很简单，4个Mn、1个Ca，但它如何组成才能完成这个功能呢？事实上这个问题困扰了人类差不多有四十年。

　　从六十年前知道有这个东西，一直到四十年之后，很多化学家、物理学家、生物学家包括我们都想去探索它。

　　当时我就是初生牛犊不怕虎，进入这个领域以后我们发现，这个领域很多了不起的科学大家也都不知道OEC的结构，大家都是在猜谜，我发现这里面都有很多问题。

　　我当时就结合在物质结构方面的背景，依据二个原则：一是金属离子配位化学饱和的结构合理性原则；

　　第二点是电荷要合理。我们就依据这两个原则，也结合生物化学，还有理论化学，我们在1998年的时候就猜测OEC到底是什么样子，提出了这个结构模型。

　　这个结构里面我们把最关键的一个Ca离子放在中间。我们的工作在1999年发表了。从2001年开始，全世界的科学家在探究OEC的结构方面取得进展，但为探究这个催化剂的结构，人类又花了十多年的时间，直到2011年，沈建仁教授用近三十年的时间，在日本终于成功地解析出光系统II高分辨率蛋白结构，获得该催化中心的确切结构。这个结构被当年《Science》评价为重大的突破，当时《Science》的评论员说，我们人类的过去和现在所有的文明都来源于这个催化剂。我们人类以后要解决能源问题和环境污染问题，非常有必要向这个催化剂去学习。

　　为什么？因为这个催化剂能够将水非常高效、安全、廉价地裂解？那么它为什么能够具有这个功能呢？当然是由它特殊结构所决定的。我们可以看到，它的核心由4个Mn离子、一个Ca离子、还有5个氧原子，这十个原子组成的一个金属簇合物，其外周环境由蛋白提供。

　　当时看到这个结构我们非常开心，因为这个结构第一次揭示出来关键的Ca离子是通过三个氧桥、2个羧基和4个Mn相互作用，这个结构特征恰好与我们在12年前的理论预测完全一致。我们也是国际上唯一的一个研究小组成功地预测出这个结构的，所以我们当时非常开心。

　　这个结构被解析出来以后，全世界的科学家都想知道这里面的秘密是什么？植物为什么能够将水给裂解并释放出氧气？但是非常遗憾十年过去了，目前人类的对这些认识还非常模糊。为什么？因为这个系统太复杂，就像我们整个大楼一样。蛋白相当于我们整个大楼，而大楼里面有多少个原子呢？差不多有15万个原子，而核心只有十个原子，要在15万个原子里面看到十个原子的变化，真的是非常非常难。

　　所以说目前科学家并不知道水究竟是怎样裂解的、氧气究竟在什么地方产生、如何产生，以及每一个组成部分究竟怎么发挥功能？

　　作为化学家，我们看到这个结果马上就会想，我们能不能够把它合成出来？如果谁能把它合成出来，应该具有重大的科学价值和应用价值，一定能够推动人类认识大自然最重要的水裂解过程的机理。

　　我们看到这个结构以后，我和国际上很多化学家都希望去合成它，但是大家很快就会发现这是一个巨大的挑战，为什么呢？这个结构太特殊了，最特殊的是它的结构特征，而且没有人知道它能不能合成出来，因为它非常不稳定；还有如果你合成出来，你没有办法去表征它；当然最难的是合成，合成的最难点是什么？是怎样把Ca离子通过这种特殊的方式和四个Mn离子相互作用。在之前没有一个人获得过成功，所以大家都非常沮丧，我们应该怎么办？

　　实际上大自然中，这个催化剂每天时时刻刻在不断合成，不断降解，而且这个过程从30亿年前一直到现在都没有发生变化。显而易见，我们也毫无选择，应该向大自然学习。

　　我们现在看看大自然是怎么合成的，实际上它非常巧妙，也很简单。它首先要把楼房给搭建好，把这个位置空出来。这个位置放大了，我们会看到，这里面有六个带羧基的氨基酸，还有两个带咪唑环的组氨酸，当然这里面还有水，呈弱酸性，这个环境就创造了一个特殊的蛋白环境，然后按照特殊的步骤将原件一步步组装，最后就能够合成这个催化剂。

　　我们就想如果能够在化学的条件下模拟这个蛋白环境，再按照生物的合成组装步骤，也许我们就能合成这个催化剂。

　　在2010年我们有了这个想法，经过两年时间的准备，包括我们要采取什么样的策略、什么样的方法、利用什么样的试剂和什么样的设备。

　　很幸运的是我们没有用多长时间，差不多不到半年的时间，我们就很快得到了一个非常有趣的化合物，这个化合物的核心由4个Mn离子，1个Ca离子，还有4个氧原子所组成。

　　这个化合物的核心结构和十年前英国科学家提出来的OEC的结构模型完全一致。在这里我想特别感谢一个学生，因为这个学生非常用功，也非常努力，是她在显微镜下，在众多的样品里面，发现有一个很小的晶体，然后去测晶体结构，把这个结构解析出来。我们当时觉得非常幸运，因为这个化合物的产率非常低，十万分之一。这个日子我们都记得：2014年4月2日，这也是我们最开心的一天，别人认为是不可能合成出来，我们把它合成出来了。

　　但是我们也高兴得太早，因为非常奇怪，这个化合物，我们只获得一颗晶体，在后面半年时间内，我们再没有看到第二颗晶体，我们又失败了成百上千次的实验，没有成功，我们都沮丧了，问题出在哪呢？原因是我们合成出来了，但是我们不知道我们的样品在什么地方。如何跟踪我们的化学反应，这就变成一个对我们来说是一个重大的科学问题。半年时间，我们失败了上千次，终于有一天我受到科普读物的启发：英国科学家在一百六十年前利用焰色反应发现很多新的元素。不同金属离子给出不同的焰色反应，比如说钠离子是黄色、看到紫色一定是钾、砖红色的一定是钙、如果看到绿色的就有可能是钡，很有趣。钙，它有特殊的焰色。受这个启发，我们就立即掏钱到商店去买了一个酒精喷灯，我今天带来了。很简单的一个酒精喷灯，但是解决了我们的科学研究中的大问题，可以说这是最有效、最廉价的方案。

　　有了这个方案以后，我们每天一个最重要的事情，就是用它来烧我们的样品，然后看它的焰色，只要看到砖红色，非常有可能是我们的样品，如果没有这个颜色，肯定没有我们需要的样品，因为没有钙在里面。所以通过这个非常幸运，我们很快将这个产率从十万分之一提高到百分之五十，我们可以大量合成这个样品。

　　后来很幸运，我们在2015年我们在《Science》上报道了我们的结果，国内外的同行都认为这是人工光作用一个重要的里程碑，因为这是人类第一次合成出和自然界催化剂最为接近的化合物，它含有4个Mn离子、1个Ca离子和4个氧。

　　但是我们很快认识到问题，我们催化剂不稳定，钙离子容易解离，这是第一；第二，我在前面讲生物催化剂核心是有十个原子，而我们这个核心只有9个原子，少了一个关键的氧原子，当然还有更多的科学问题，这些年我们就围绕这些问题，然后再不断去努力，现在实际上我们已经制备出接近300个化合物了。

　　我们在2015年合成出在《Science》报道的第一个化合物后，不断努力，从来就没有停止，为什么？我们发现尽管我们得到了很多的化合物，而且我们精确解析了它们的空间结构，但是仍然不能满足我们的要求，什么要求？一、它还不够稳定；二、它和自然界催化剂仍然有差距。

　　我们不断去分析，我们继续向前走，直到第201个化合物的出现。

　　在这里我们特别提一位老先生，北京大学的黎乐民院士，在2015年的一次学术报告会上，他问了我一个问题，他说你能不能把这里面的钙离子换成其它的稀土离子？当时我觉得这个非常难，因为生物界只有钙和锰，没有其他的金属离子。但是我后来就想，如果我们把这个钙离子给替换掉，我们就有可能比自然界的催化剂更好，特别是有望解决我们催化剂的稳定性问题。

　　有了这个想法以后，我们奋斗了五年，在这里向大家展示的是我们第201个化合物的空间结构，这也是我们第一次真正实现了对生物催化剂的核心和外部环境的精确模拟。

　　在这里你有没有看到我们在前面说的十个原子，它全部在那儿，特别是有一个氧原子，以前我们梦寐以求的氧原子，这一次终于出现了。当然更重要的是，我们可以把钙离子换成各种各样的金属离子，那么在这里我用稀土钇离子代表。这个稀土离子的引入，使催化剂的稳定性获得了质的提升，这样我们可以研究它的催化功能。这个人工催化剂能够非常有效地催化水的裂解，产生催化电流、释放氧气。

　　在我们之前说了，我们一直想把这个氧原子给加进去，但是一直加不进去，但是从2019年1月6日以来，我们差不多快两年的研究，意外地发现，这个缺失的氧原子非常有可能就是氧气形成的部位。

　　当然我们在做，国际上很多研究小组都想去做，从上个世纪末，大家就不断向前推进，非常幸运的是从2015年以后，我们在这个领域一直处于世界领先地位，目前我们的有关仿生催化剂已经获得了国内的和国际的一系列专利，在这个领域我们是走在世界的前列。

　　我们现在有了这个催化剂，由于这个催化剂非常稳定，而且有效，这为进一步研究我们整个领域的一个梦想“揭示在自然界催化剂的工作原理”提供了可能。

　　未来第二个梦想，不仅是我的梦想，也是我们这个领域的梦想，更是我们人类的梦想。

　　利用自然界的催化剂或人工的催化剂来实现光驱动水裂解，产生氢能。以前还完全是梦想，但是我们现在已经把这个梦想大大向前推进了。尽管还有很多的问题要去研究，但是我们现在离实现已经更加接近了。

　　此外，还有一点我想说，我们在座的任何一个人，时时刻刻在不断地呼吸氧气。氧气是在30亿年以来植物不断地通过这个生物催化剂所释放出来的，实际上我们都不觉得了，我们每一个人都应该心存感激，感激这个催化剂，没有它，不会有我们非常舒服地呼吸。那么我们在特殊的条件下，比如说你要到外空去旅行，或者说在特殊的海底，当你需要氧气的时候，能不能有效给氧，将会是一个重要的环节。我们这个催化剂今后也许在这方面会开展一些工作。

　　最后我想跟大家分享的是，我从1997年开始进入这个领域，刚开始一直是学习自然，到差不多十年前，我们开始考虑模仿自然，现在我们觉得我们有可能可以超越自然，我们这些工作想为我们人类的绿色能源来进行求解。好，谢谢大家。

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。