在20世紀初，科學家就已經認識到化石燃料的使用是不可持續的，1912年，義大利化學家 Giacomo Ciamician 就對化石燃料的不可持續使用發出警告，還敦促科學界人為地重建光合作用。一個世紀之後，隨著技術的進步和科學知識的不斷增長，他的願景取得了重大突破。目前在實驗室範圍內的人工模擬是可以實現的，而且光合效率已經可以達到甚至超過自然界中植物的光合效率。

下圖為自然界發生的光合作用：

模擬光合作用，將水、二氧化碳與太陽能一起利用，收集太陽能，將能量儲存在化學鍵中，類似於自然界光合作用，以生產可用於發電的碳基燃料或以有機物儲存起來供以後使用。下圖為一種人工模擬光合作用的光化學催化系統：

光化學催化系統利用了納米技術層次結構的進展，包括大量的電催化劑和用於光吸收的材料。大多數的人工光合作用嘗試都使用各種模擬光合作用複合體活性結構類似的催化劑，如下，左為光系統2的釋氧中心結構，右為人工材料的釋氧中心結構。

加州大學伯克利分校的華人化學家楊培東在2015年4月成功地創造了第一個光合生物混合系統（PBS），第一代PBS使用半導體和活細菌來進行光合作用。跟植物葉片光合作用類似，吸收太陽能，並利用水和二氧化碳合成液體燃料，同時釋放氧氣。第一代PBS實現太陽能-化學轉化效率為0.38%（綠色植物葉片光合效率為0.2%-2%）。隨後又進一步，其團隊用一種不同型別的細菌對系統進行了測試，細菌利用水分子的氫和二氧化碳，產生甲烷（天然氣的主要成分）達到了10%的轉換效率，比自然葉片的轉換效率高得多。

上圖為第一代PBS，下圖為第二代PBS

人工光合作用雖然這對已經存在的太陽能發電場來說是個壞訊息，但對於地球人類不斷增長的能源危機和環境本身來說，是個非常好的訊息。人工光合作用的優點超過其他形式的太陽能是在利用能源的過程中使用了二氧化碳。目前大氣中二氧化碳濃度逐漸上升，主要原因可以歸因於人為因素，包括大規模的森林砍伐、工業革命和人口增長。二氧化碳濃度的急劇上升導致全球變暖，汙染加劇，對地球上生命的存在構成了嚴重威脅。

目前的這些人工光合作用系統存在不穩定和高成本的問題，這也是它們進一步商業化的重要瓶頸。但是如果技術繼續進步，發現更穩定更持久、具成本效益的催化劑，將克服這些缺點，大大促進人工光合作用的發展與利用。

生物地球2.0的發現讓我們面臨一個尷尬的現狀。如何能夠到達這個宜居星球？ 似乎眼下我們唯一能做的就是建立一個與地球相似的縮小版的生物圈。這可以在旅途中及到達目的地以後，讓我們有一個相對適應的緩衝區。

生物圈只是進行原始的模擬地球的環境中製造的，自然狀態下的光合作用的轉化率只有0.38%。這樣的話會讓飛船的體積極為龐大。如果我們讓光合作用的利用率高一倍。也許我們的飛船最少能縮小1/3。高兩倍就能縮小一半。

最近在楊培東先生的研究團隊努力下，將光合作用的利用率提高到了0.38%，這已然與自然界中的植物轉換率幾乎相同。但楊培東先生表示，將來很有可能會提升至3%~4%，也就是說人工光合作用的效率要比自然人工光合作用的效率高10倍。這樣一來，我們就可以將飛船的以及縮小到原先的1/5，甚至更小。或者我們可以將寶貴的空間騰出來，裝載其他必要的裝置。

楊培東先生曾被認為是諾貝爾獎的大熱門人物。很多人對他的名字感到很陌生。但在化學和材料學領域，他卻是全球最頂級的十大化學家之一和排名第一的材料科學家。他的研究成果眾多，且每一個都是行業內具突破性的代表作。它的半導體奈米線，原子組裝方面，已經走在了行業的前沿。例如，他率領的團隊造出了世界上最小的奈米鐳射器，這一切是在一根比頭髮絲還細的，奈米導線上實現的。這在將來會應用於先進的光子計算機上，而這將徹底顛覆已有計算機行業的遊戲規則，到那時，相信計算機的運算速度一定會產生革命性的躍進。

但我們今天要說的並不是楊培東的這些成就，而是他在另外一個，更加生機勃勃的的領域~“人工光合作用”。光合作用 光合作用 說起光合作用我們也許每個人都不陌生。光合作用通常是指綠色植物，包括草類吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物同時釋放氧氣的過程。我們可以把它更詳細的分為光反應，按反應兩個階段。我們目光所及的綠色植物，它們每時每刻都在進行著奇妙的光合作用。維持著自然界的能量平衡。並決定性的調節著大氣的有效構成。它們無論從繁殖，開花，還是結果，無時無刻不在進行著營養傳遞，積累，氧氣和二氧化碳的製造，這些都離不開光合作用。

其中最重要的是，我們的主要食物來源幾乎都來自於碳水化合物，也就是植物的種子，果實或根莖……雖然我們還要攝取很多美味的動物性的蛋白和營養。在將來必定會被植物性蛋白所起的，也就是我們所說的人造肉。 食物來源 我們不僅要感嘆，“光合作用”簡直太神奇了！但我們能夠人為的模擬（或者控制）這種奇妙的光合作用嗎。可以說光合作用是地球上所有生物賴以生存的根本。（當然厭氧生物除外）自從有了“光合作用”，地球上的生命，動物和植物才有了進化的原動力。

很可惜的是，人類現在還沒有完全搞清“光合作用”的機制。更談不上對於“光合作用”進行人為的控制。 很早以前人們就發現植物在白天吸收二氧化碳撥出氧氣，到了晚上則吸收氧氣而撥出二氧化碳。從1971年開始，人們開始對光合作用進行研究。最終意識到光合作用是由光和二氧化碳和水加在一起，而產生我們所呼吸的氧和植物所需要的養分。 從那時起，人們就已經發現光合作用產生的我們所吃的糧食其實不過是植物將太陽的能量轉化儲存起來。

直到上個世紀的90年代，科學家們開始嘗試用光敏色素（電子給體和受體共價鍵結合的體系，吸收紅光，遠紅外光，可逆轉換的光受體色素蛋白質稱為光敏色素。） 光敏色素 在之後的研究中，楊培東在人造光合作用的研究中實現了革命性的突破。可以說讓人工人造光合作用，完全的從實驗室走出來。

楊培東的團隊透過所研發的一套奈米線和細菌組成的有趣的系統進行人工光合作用。他們把自然界中植物利用太陽能，將水和二氧化碳轉化成碳水化合物的這一個過程，直接轉變為醋酸脂，它是今天很多生物合成反應的基礎，我們也可以將它稱作是一種萬能基材。然後再透過一種細菌的催化直至產生堪稱汽油的丁醇。而且這套人工光合系統可以透過化學反應，二氧化碳被施了魔法一般，搖身一變化身為各種各樣的化工原料和燃料。而這一切的輸入，除了這套人工合成系統以外，最主要的能量就是太Sunny。 Sunny的能量 楊培東表示這套系統的太陽能轉化率還很低，大概在0.38%。那麼既然這套系統可以生產出我們所需要的各種化工原料，那麼剩下的就是如何提高它的效率。

在接下來的一段時間內，楊培東先生的團隊打算用奈米科技增強入他們的人工光合系統的運作，從而使最終的目標達到轉換率為3%~4%甚至更高。 在不久的將來，我們不難看到，直接將二氧化碳變成汽油；我們也直接可以在餐廳裡把二氧化碳變成我們所需要的大米麵粉油，甚至是人造肉，人造蛋，奶等。 也許將來我們可以改造一個像潘多拉星球那樣的，或者是火星那樣的，彌撒著二氧化碳，甲烷的星球。在我們安居樂業探索這顆星球的同時，也潛移默化的將它改造成，可以供我們人類生存的宜居空間。

還記得上學時最喜歡的那部~《與拉瑪相會》的科幻小說。那艘載著一個小天地的長達30英里的圓柱形神秘外星人造物， 恐怕在不久的將來就要實現了。也許我帶著一個小小的生態圈，能像那艘飛船一樣，我們運用人工光合作用，包攬我們所需要的一切，併為我們探索宜居星球的太空冒險之旅保駕護航。