Искусственный фотосинтез: когда мы научимся жить без растений
В атмосфере концентрация свободного кислорода составляет 20,95%, а углекислого газа — 0,04%. Это соотношение поддерживается жизненными циклами представителей флоры и фауны. Но количество растений на нашей планете стремительно уменьшается, а объемы выбросов углекислого газа растут. Поэтому уже сейчас ученые озаботились разработкой технологий, которые бы могли обеспечить людей и животных пригодным для дыхания воздухом в будущем.
Основную роль в процессе фотосинтеза играет свет. Из солнечного излучения, доходящего до Земли, лишь половина имеет длину волны, с которой может "работать" хлорофилл. Причем максимумы поглощения находятся в синей (около 400 нанометров) и красной (около 700 нанометров) областях спектра.
"Этот зеленый пигмент содержится в листьях и захватывает солнечный свет, а набор ферментов и других протеинов использует энергию, чтобы расщеплять молекулы воды на кислород, водород и электроны. Протоны водорода и электроны, движущиеся по цепочке из белков, принимают участие в создании энергии, необходимой для синтеза органических соединений", — поясняет Павел Федураев, старший научный сотрудник Лаборатории природных антиоксидантов Института живых систем Балтийского федерального университета им. И. Канта.
Из подходящего диапазона солнечного излучения большая часть теряется в процессе поглощения и внутренних реакций. В среднем для фотосинтеза растениями используется лишь 1-2% от всего поступающего на Землю солнечного света.
Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях, необходимо повторить два ключевых этапа: сбор солнечной энергии и расщепление молекул воды. Кстати, искусственный фотосинтез возможно использовать для производства как кислорода, так и водорода. Во втором случае человечество будет надежно обеспечено экологичным, эффективным и недорогим топливом.
Пока исследования искусственного фотосинтеза находятся на стадии лабораторных разработок. Полупроводники и живые бактерии помещают в фотосинтетическую биогибридную систему (искусственный лист), на которую воздействуют солнечным светом. Полупроводники собирают его энергию, генерируя электроны, необходимые для того, чтобы состоялась реакция в растворе воды и углекислого газа. Бактерия использует электроны для преобразования молекулы углекислого газа, тем самым способствуя образованию водорода (H2), метана (CH4), этанола (C2H5OH). А вода в это же время окисляется на поверхности другого полупроводника, в процессе чего выделяется кислород.
Но расщепить молекулу воды не так просто, это требует около двух с половиной вольт энергии. Следовательно, нужен катализатор, который "подтолкнет" химическую реакцию.
Некоторые исследователи, занимающиеся искусственным фотосинтезом, имитируют естественный процесс без привлечения живых организмов. По большому счету эти разработки сводятся к созданию принципиально нового катализатора, так как существующие (основанные на магнии, титане, кобальте, рутении) довольно токсичны и имеют низкий коэффициент полезного действия.
Есть разработки по искусственному фотосинтезу, в которых используются живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки). Подобные исследования основаны на получении информации о фотосинтезе с помощью цианобактерий. Сначала им в геном вставляется последовательность нуклеотидов, содержащая инструкции по синтезу белковых меток. Далее живые организмы извлекаются вместе с метками и проводится исследование полученной фотосистемы (бактерий, которые перерабатывают белки). Ученые утверждают, что данная информация поможет создать искусственные аналоги фотосинтеза.