在化学领域，对光合作用的研究是个非常大的领域。现在主要分为两个方向：自然光合作用体系（Natural photosynthetic system）和人工光合作用体系（Artificial photosynthetic system）。从化学的角度对自然界光合作用的模拟一直以来是从事相关研究的专家学者们所关心的问题，也是我们在设计人工光合作用分子体系时灵感的来源。关于绿色植物和光养细菌内发生的光合作用，到今天为止科学家们还没有很完整地从分子水平来理解——也就是说，化学家们还无法清晰地回答“到底光合作用是怎么发生的”这个问题。绿色植物吸收光后将光能储存为化学能（这是不同于光伏体系的地方，光伏体系将光能直接转化成电能），是我们已经观察到的现象。但是这背后的分子机理依然有待进一步解释。从一个简单的模型上看，化学家们把光合作用分为四个步骤：1. 光能捕获（Light harvesting）：自然界中通过蛋白质和一些有机小分子chlorophylls（主要是卟啉衍生物）组成的光能捕获复合物（light-harvesting antennae）将太阳光吸收，并通过能量转移反应将吸收的光能定向转移至反应中心（reaction center）从而进行下一步。由于我老板在这行算是有所见地的研究者，我现在在做的项目就是设计合成新的系统从而为我们理解这一过程的本质提供模型。2. 电荷分离（Charge separation）：这一步是在反应中心中进行的，通过分子间电子转移，得到了分子层面的电荷分离态。这里的机理比较深，略去不表。但这一步非常重要，因为将光能转化为化学能（具体地说是电化学势能）就是在这一步发生。电荷分离后电子和正电空穴向两个方向移动从而进行下面两个不同的反应（这里的”方向“仅仅是定性意义）。3. 水的氧化（Water oxidation）：由反应中心产生的正电空穴进一步被投入到由催化剂引发的水氧化分解，生成氧气和氢离子。在自然界中，水分解催化剂具有一钙四锰的化学特征。4. 二氧化碳固定或者其他还原反应（Carbon fixing or proton reduction）：由反应中心产生的电子被传输过来进行一系列还原反应，包括自然界中的二氧化碳固定以及人工光合作用体系中的氢离子还原生成氢气。上面这四个步骤，每一个都吸引了一大批包括化学家在内的科学家们。而人工光合作用体系就希望通过模拟自然界光合作用体系或者根据光合作用的基本原理，设计出微观甚至宏观尺度的”器件“从而实现高效、快速地将光能储存为化学能以进一步利用。我们试图回答的问题包括但不限于：1. 如何能够使人工合成的光能捕获系统可以高效的吸收不同波长的太阳光（全色谱吸收，panchromatic absorption）并且能将能量高效、快速、定向地传递出去？2. 如何设计合理的反应中心从而得到稳定、长寿命的电荷分离态，从而实现对这种电化学势能的多样利用？3. 如何实现快速低能地水氧化？（热力学上水生成氧气是个能量升高的反应）4. 如何选择合适的还原反应将能量储存入燃料？（人工体系不必拘泥于二氧化碳的固定或者造氢，虽然这些依然是研究主流）当然近二十年的研究给我们带来了许多许多新的问题，很多还很棘手。不过很多科学家们都将目标关注于”高效、快速“，因为这正是自然界早已做到但我们却一直无法理解的地方。所以人工模拟光合作用，一方面是开发新能源的实际意义，另一方面是让我们能够更好地理解自然的理论意义（事实上对我来说，我更关注于后者）。现在人工模拟光合作用在化学领域的研究已经取得非常大的进展，甚至可以说已经到达一个瓶颈。在分子层面，已经有非常非常多的有机、无机结构被设计合成出来，并且绝大部分都具有良好的性能。不仅如此，这些分子背后的物理化学机理也相当成熟，计算化学也在这个领域做出了巨大的贡献。但是，真正像自然界一样，将这些独立的组成部分整合到一起，并使之互相兼容且正常的运转，却显得非常困难。化学家在研究各个部分的时候，只针对某一个部分进行优化，却无法顾及整合时所产生的兼容性问题，导致了今天这个局面。这并不是科学家们的疏忽，而是一直以来的研究思路和手段的限制。我以为，能够将这些已有的研究成果，无论是基本原理还是合成结构，良好地整合统一并正常工作，是接下来一代甚至几代科学家所需要完成的。这绝不是一个简单的任务，因为这不仅要求研究者有着良好地化学背景（有机化学、无机化学、物理化学、计算化学等等），在进一步扩大器件尺度的过程中还会遇到更多非化学问题。但是总的来说，向自然界学习，解决太阳能向化学能转化储存的问题，人工模拟光合作用已经是一个非常成熟的理念了。只不过从科学研究的角度上看，这个领域还有待成熟。
按照在叶绿体内的步骤，这个反应可以分成两步
1、水的分解
2、碳水化合物的合成
所以人工模拟光合作用也可以从这两步来谈，想要人工模拟这个反应，最重要的问题就在于催化剂和催化介质，如何能模拟出类似叶绿体这样的高效催化系统，从这个角度来说，催化介质最好也是薄膜（反应表面积大，利于气体交换）
水的分解这步其实并不难做到，只不过从前的技术比较耗能（电解+贵金属催化），属于投入大于产出，干了也白干，但是目前这步已经被MIT的研究人员通过新型催化剂解决了[1]，他们把这种薄膜材料叫做“人工叶子”，成本低廉，往水里一扔，晒晒太阳就能将水变成氧气和氢气，说白了就是直接可以用于燃烧产能了。据他们自己说已经做好商业化准备并可以将这种技术用于交通工具，房屋供暖啊之类的。这个结果应该是08年左右的事情，具体进展没有追踪。而且如果仅从这一步来说，利用现在的光伏电池，已经接近甚至超越了植物叶绿体的产能效率。
然后从另外一个角度来看，植物本身是依靠光反应中提供的电子和氢离子，进入碳的卡尔文循环，然后固碳形成淀粉。如何人工的完成这个步骤？查到一篇2011年的中文文献[3]，作者提到已经可以实验室里通过13个酶促反应将二氧化碳转化成糖，如果利用可以工业化得到的乙醛作为底物，还能把步骤降低为11步，而且不需要不稳定的NADH和ATP，这些酶促反应的每一步都在生物体内存在，但是总的反应却和生物本身的反应不同。如果结合这个系列反应配合光伏电池产生的能量，就相当于模拟完整的光合作用了。但是这一个步骤现在还停留在实验室的阶段，如何能将这么复杂的生化反应在人造薄膜内进行？这应该是接下去要解决的重要问题。
以上是基于催化化学和生物化学的思路，那么基于生物本身呢？能否将植物的光合利用能力转移到动物身上？已经有科学家在做相关的合成生物学的研究了，在一篇2011年发表在PlosOne的文章，标题很霸气，叫“Towards a synthetic chloroplast”[4], 其实内容到是没有名字这么夸张，简单来说就是成功的把能光合作用的蓝藻，转移到斑马鱼的细胞里，并且发现这些蓝藻能在斑马鱼的细胞里正常生长繁殖，并且斑马鱼的细胞不会受到影响。
从1772年英国化学家Priestley的蜡烛燃烧实验（初中生物讲过）开始至今，光合作用的研究已经持续200多年之久，相关领域的学者拿诺奖也有好几回了，当然现在仍然有诺奖潜力。在生物分子水平上我觉得很多结构上的东西已经慢慢清晰了，如叶绿素a,b的空间结构，到了化学反应过程还是一知半解，如果深入扯到物理机制，量子理论的东西，那就是得去 nature， science找几篇综述，再脑补量子力学才能懂一点点的节奏了。据我所知，光合作用光反应中电子能量传递效率很高，近乎100%，这个是我们期待能深刻理解并开发应用的一个关键环节。光合作用的机理研究现在还是很热门，人工光合作用方面也有一大波人在做，模拟出来应该是可以的，只是复杂程度和反应过程可能连发现者本人也不能讲得十分明白，毕竟上帝创造光合作用的代码程序我们还没有办法拿到。如果上升到产品化器件化的问题，我貌似还没了解到有相关的产品，因为此时需要考虑成本和工艺的产业化，蛮烧钱的，如果弄出来的产品大家都买不起，那就还有很多开发和优化的空间。最后插几句话，上帝向我们展示了如此高效的能源技术，使得我们得以生存，我们期待人工光合作用实现后可以在未来部分解决能源短缺的问题，但对于人类来说最好的生存方式仍然是绿树蓝天，最优的能源利用依然是大自然光合作用。
