植物如何高效地开发阳光

文 / 贝小戎

给智能手机或平板电脑充满电用的电相对来说很少，但是观看网络视频时，如果一年当中每周观看一个小时，消耗的电力就相当于两台电冰箱一年的用电量，因为其他地方的数据中心要消耗大量电能。2月10日，“用电大户”苹果公司宣布投资了一个8.5亿美元的太阳能发电厂，它占地1300英亩，能够给加州地区6万个家庭供电。到2016年底这个发电厂可以给该公司在加州的运营供电。

如今太阳能在美国蓬勃发展。安装太阳能板的成本自2010年以来降低了一半，在美国每4分钟就会有一个地方装上一套新的太阳能发电系统。建设太阳能电厂会带来一个问题——《福布斯》的一位分析师说：“所有人都为苹果公司投资太阳能电厂的消息感到振奋，除了居住在那块土地上的猫头鹰、蜥蜴以及狐狸。”

另一个问题是，太阳每个小时向地球传递的能量相当于人类一年消耗的能量，但我们获取太阳能的能力依旧很有限。目前最优秀的光电池把阳光转化为电能的效率大约是35%，更便宜的光电池的效率大概为20%，而植物在光合作用的第一阶段完成同一过程的效率大约为90%。植物利用太阳能的效率为什么如此之高呢？《经济学人》网站上的一篇文章解释说：太阳光以光量子的形式落在植物的叶子上，光量子包含量子能量包。叶子处于明亮的阳光的照射下时，每一秒都会收到几万万亿的光量子，而几乎每一个红色的光量子都被叶子吸收了。它们为何能有这么高的效率呢？光合作用始于叶子内部四散伸展的被称为触须的结构中。它们部分由几十万个叶绿素分子组成，叶绿素分子中的重要成分是镁元素。当阳光照到叶面上时，被称为光量子的一束光撞到叶绿素分子上，把镁原子中的电子击出它们的轨道。电子有一个负电荷，失去负电荷之后生成带有正电荷的镁离子。分离之后，每个镁离子成为一个电荷，光量子的能量已经被灌入进去。

要想有效地把光转化为电，就需要使电荷带着能量迅速进入叶子的反应中心。这样电荷的能量就可以用于把水和二氧化碳分子中的原子重组为简单的糖和氧气。保存电荷中能量的关键是它进入反应中心的方式。进入反应中心的道路就像一个由摇摇晃晃的绳索迷宫组成的桥，如果要用很长时间才能找到进入反应中心的路径，能量就会被迷宫全部吸走，能量团只有大约十亿分之一秒的时间通过这个桥梁。研究发现，植物在帮助电荷寻找道路时使用了一种量子物理领域的方法。它们不是随机地冲撞叶绿素分子，而是通过量子相干性传递，所有的电荷都是同时分布至所有可能的路径，然后按照最高效的路线汇集。也就是说，它们在同一时间处于两个不同的位置。如果你的太阳能电池板每平方米售价10万美元，其效率却只有大约35%。植物把阳光转化为电的效率是90%，这还是在阳光不强烈的时候，而且它不用花钱。植物吸收阳光的效率高到什么地步呢？为了防止在阳光太强时受伤，它们还进化出了丢弃一些能量以防止过热的机制。如果人类能够在太阳能发电上复制植物的光合作用模式，发电的效率将大大提高，科学家说，这是一个“合理的期待”。如果混乱的生物世界可以通过试错法进化出利用太阳能的量子机制，也许我们人类可以有意识地在我们的太阳能板上实现同样的壮举。 能量植物太阳能知识阳光