浩瀚宇宙，穿越1.5亿公里温暖我们的太阳光，是这个星球上所有生命活动的唯一能量来源。植物通过叶绿素吸收太阳光，通过光合作用将能量储存到有机物中，进而驱动地球上所有生命的新陈代谢。动物透过视紫红质感知光线，收集分析环境信息，在觅食和竞逐中不断繁衍进化。生命的演进由光合作用点亮，文明的齿轮同样由光合作用驱动。光合作用沉淀下来的碳元素，在亿万年间的地壳运动中被转化为煤炭、石油、天然气等化石能源。这些上古时代光合作用的馈赠是现代工业文明的能源和物质基础。

人类对光的追逐从未停歇：一个世纪以前量子力学与相对论的革命中，普朗克和爱因斯坦灵光乍现地揭示了光的能量与频率成正比的简洁定律。世事绝非偶然，太阳光的能量恰好可以驱使分子振动、分解与化合，恒星辐射的能量尺度与地球生物新陈代谢的生化反应完美契合(如图1)。阳光透过斑驳的树影洒落地面，这样俯仰皆是的光景埋藏着我们这个星球最深刻的故事。 

图 1  太阳光与分子振动、分解、化合的能量匹配

然而鸿蒙之初，寰宇远非太平。光合作用尚未启动，空气中的氧气分子屈指可数，没有臭氧层护佑的地球受到高能紫外线的直射，火山喷涌，海浪滔天[1]。和今天充满生命力的世界相比，彼时躁动不安的地球在极端环境下进行着不知疲倦的化学反应，等待生命的诞生。不过为了避免故事过于冗长，请允许我们跳过生命起源的探秘，聚焦光合作用。

意大利化学家普利莫·列维在“历代最受欢迎的科普书”《周期表》中写道：“我们的碳原子被一个复杂的分子机器抓住，同时受到从天而降的阳光激活，如同昆虫被蜘蛛俘获，钳出氧原子，再与氢和磷原子结合，这就是生命之链”。这是对光合作用非常动人的描述。不过细节不似你所见。我们都知道光合作用的总反应方程式是二氧化碳与水在光的作用下，生成糖和氧气。然而二氧化碳的转化过程被称作“暗反应”，并不需要光的参与。氧气也并非来自于二氧化碳，而来自于水；阳光劈裂了水分子，放出了氧气。

此刻我们抬头望向窗外，绝大部分紫外线已被抵挡在臭氧层之外，植物仅需利用能量温和的可见光，就可以实现这个星球最伟大的质能转换。让我们思考一下这件事的困难之处。化学反应的本质是分子碰撞过程中电子的流动，原子也因此重新排列组合形成新的分子。电子的流动与水流非常类似（顺带一提，自然界的水循环同样由阳光辐射的热能驱动），几乎总是从束缚较弱的势能高地，流向束缚较强的势能洼地，从而释放能量形成更稳定的分子。对电子束缚能力较弱的分子叫做还原剂，束缚能力较强的分子称作氧化剂。而最著名的氧化剂就是氧气，氧气抢夺电子之后形成水分子等氧化物。而氧已经是宇宙中结合电子最紧密的元素之一了，可以想见，将电子从水分子中的氧身边抽离出来绝非易事。

解码光合作用这一自然界最精巧生命机器的运作机制，是贯穿整个现代科学史的研究主线。时至今日，关于光合作用依旧有许多细节争论不休，不过在科学家们前赴后继的努力之下，我们已经获悉了这个故事令人惊叹的主线剧情。

众所周知，进行光合作用的细胞机器是叶绿体。分子遗传学研究发现，叶绿体有自身独立的环状DNA，与细胞核中的遗传物质仿佛公铁两用桥，协同而又彼此独立地复制、遗传、运作。细菌的DNA往往是环状，科学家据此寻根溯源，发现蓝细菌的DNA与植物和蓝藻细胞内叶绿体的DNA极为相近，而且蓝细菌利用光合作用拆解水分子的机制与叶绿体别无二致。一个大胆的猜想浮出水面：远古时代一次偶然的捕食中，宿主细胞打了个饱嗝，“消化不良”，被吞噬的蓝细菌得以保全自身的全部功能；这次偶然的“消化不良”之后，宿主细胞与蓝细菌缔结了共生的契约，不断繁衍进化成为了今天的植物和藻类。

图 2  光合作用中心的结构示意图

让我们回到叶绿体光合作用具体机制的讨论上来[2]。在光的助力下，叶绿体从水分子中抽提出电子，最终传递到二氧化碳中形成糖类。不过，如果我们看得更仔细一点，一定会被光合作用更丰富的细节打动。水往低处流，譬如大坝中的水倾泻而下冲击涡轮机，产生电能。如果我们想要用大坝发电，首先需要将水输运到高处。如果想要用电子流动产生能量，首先需要将电子送往更高的能级。光合作用的流水线前端分布有大量捕捉光的色素（图2），如天线一般伸展开来充分享受阳光的沐浴，将能量传递到反应中心的叶绿素分子上[3]；随后，充满能量的叶绿素一口气将电子“弹射”到“山顶”，接着巅峰的电子顺着坡道（电子传递链）从高处向下滚落，在此过程中放出的能量被储存在生命的能量“货币”——ATP之中，这就是光系统II上发生的故事；有意思的是，电子不会一路来到山脚，而会在半山腰时刚好进入另一个分子机器——光系统I（两个系统按照科学发现的时间顺序，而非反应机制的前后顺序标记命名），叶绿素分子吸收光能，电子再次被送往顶峰，经历一系列传递，进入名为NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）的还原剂，后者最终实现了二氧化碳的还原。光合作用的机制大抵如图3中右侧部分，左侧漫画可以帮助我们理解这个故事：电子流动的路径仿佛形成一个竖直的字母“Z”，因而该过程称为Z型反应（图3）。两套光系统紧密协作，光的两计重锤将电子两次发射到最高能级，让原本安逸的叶绿素分子具有了极强的还原性，再利用电子从高往低的流动将能量储存起来，最终还原了二氧化碳。

图 3  光合作用机制Z型反应的示意图

不过，这个故事还有一个高潮。电子被光激发到最高能级并传递出去之后，会在原来的叶绿素上留下一个空洞——这个叶绿素分子被光氧化了。我们已经知道光合作用的电子最终来自于水中的氧，剩下的难题变成了如何氧化氧元素夺取电子，并传输到叶绿素上的空洞里。在光系统II的表面，邻近叶绿素分子的地方埋藏着一团珍贵的宝藏——由四个锰原子、一个钙原子以及若干氧原子组成的原子簇（图4）。在蛋白质的调节下，这团原子簇具备恰到好处的几何结构和绝佳的性能，吸收光能之后，可以从水分子中将电子萃取出来，送还给叶绿素，并释放氧气。实际上，细菌为了抵抗氧化的威胁，会从海洋中摄取锰原子作为抗氧化剂。本世纪初，地质化学家罗素认为这一小团原子簇的结构，与海底热泉附近钙锰石的结构非常接近[4]。极有可能，上古时期游弋于海底热泉的蓝细菌吞下了一块亮闪闪的矿物质，装饰到叶绿素附近，获得了从无穷无尽的水中萃取电子的能力，也为地球生命打开了能量转换之门。像这样以无机矿物团簇作为酶催化核心的故事尽管偶然，但绝非孤例。一次又一次无机物与有机物的结合点石成金，生命与非生命的界限亦在此交融。

图 4  左侧为光系统II的结构及放氧复合体的相对位置；右侧为放氧复合体的结构示意图，红色球为锰原子，绿色球为氧原子

从吞下那颗璀璨的锰矿开始，一束阳光投射到叶绿体上，电子开始从水中被萃取出来，一次又一次借助光的力量，冲上顶峰，在向下流动的过程中，驱动了生命之轮。与此同时，光合作用产生的氧气——这个最初令人畏惧的剧毒副产物，其强大的氧化能力逐渐被生命所适应与驯化。生命由此迈入了高效的有氧呼吸时代，获得了前所未有的强大能量。这不仅是一场能量的革命，更为复杂细胞的出现、庞大食物链的构建，奠定了基石。向着阳光喜笑颜开的植物和藻类通过光合作用壮大自己的族群，为食物链提供能量，同时造就了一个含氧的大气层，从此生态圈一片繁荣。氧气浓度在光合作用与呼吸作用的吐纳之间维持着大致的平衡。不过现今大气层中，氧气分子是二氧化碳分子的500多倍，因为彼时植物通过光合作用固定了超过食物链所需的碳，并将这些宝藏深埋地下，直到20亿年后，两百年前的工业革命。

后面的故事我们都很熟悉，挖掘光合作用的遗产——化石能源，人类掌握了前所未有的能量效率，工业革命、科学革命乃至世界大战在现代文明的舞台接替登场。然而随着这些远古时代的碳与氧气重新邂逅，全球气候环境逐渐发生微妙的变化。日益紧张的能源与气候问题，和人类不断扩张工业产能的需求产生了尖锐的矛盾。即便在人工智能全面崛起的当时今日，制约大模型迭代进化的甚至不是芯片，而是海量运算消耗的能量。

早在一个多世纪以前，意大利化学家Ciamician就曾发现利用地中海的太阳光，可以将两种酮联结成二醇[5]。那时他就宣告过一个理想的化学世界：人类应向伟大的自然学习，利用环境友好的光能驱动化学反应，去取代需要极高能耗的传统热化学反应。毕竟利用光能进行物质转换是这个星球最古老的化学法则。然而这样的理想绝非易事。原子通过共享电子对形成化学键，结合成分子。而利用光能驱动的反应可以认为是对电子的精准微操，一次只激发一个电子，这样产生的中间体称为自由基；尽管自由基反应性极为活泼，但也更加难于研究和控制，像一头难以驯服的猛兽，令人生畏。

图 5  光合作用与光催化反应电子传输机制对比，两种反应都是利用光能将电子提升到势能“高处”，从而实现更强的还原/氧化性

幸运的是，随着现代科学的飞速发展，得益于不断提升的仪器分辨率以及合成化学知识的积累，在最近的数十年，科学家们逐渐找到了驾驭光与自由基的策略。因发展“有机催化”而获得2021年诺贝尔奖的著名化学家DavidMacMillan还有另外一项伟大成就：类似光合作用中数个光系统彼此精妙的联动，他们找到一系列特殊的金属化合物（光催化剂），吸收光子后变为绝佳的还原剂或者氧化剂，能够与实验室中曾被忽视的丰产金属催化剂相配合，完成以前只有贵金属才能实现的反应[6]。背后的原理与光合作用如出一辙（图5），电子被光激发到顶峰，接着只要设计出电子传递的路线，无需加热的光化学反应便水到渠成。自此之后，光驱动的反应如雨后春笋般涌现出来，而中国化学家们更成为了这次合成化学浪潮的中流砥柱。

光化学的基础研究再次复兴，光驱动的工业升级正悄然崛起。远古光合作用沉积产生的石油等化石能源本质上是一种烃类混合物，燃料并非它们的全部注脚。从我们周身随处可见的桌椅电脑到漫游世界的飞机轮船，都离不开高分子聚合物，而这些新兴材料在经历聚合反应之前的单体，大都是石油化工提炼的产物。是的，光合作用不仅是能量的根源，更是现代文明的物质基础。将从石油中分馏出来的原料转化为服务人们衣食住行的化工产品，是每一个工业城市的核心课题。

芳烃是石油中分离出的一类重要化工原料。然而芳烃分子本身活性极低，传统的转化策略需要高温高压，让芳烃分子剧烈振动，四处碰撞才能实现反应，这样的过程效率低下、操作危险且能耗极高。传统芳烃转化能耗巨大，通过绿色化学实现产业升级的需求迫在眉睫。解铃还须系铃人。芳烃从石油中分馏而来，是远古光合作用的遗产，如今化学家们再次向大自然借一束光，解码太阳最终的馈赠。利用光化学合成技术，人类有望直接利用可见光实现石油化工原料的万吨级转化，不仅可以降低全产业链的经济和能源成本，更是为合成化学的永续发展迈出了坚实的一步。

从细菌偶然吞下一口锰矿石，叶绿素用光照耀了生命的繁荣；到人类蹒跚学步，终于道法自然，逐渐用光的力量化解能源与环境危机。人类决意要做自己的普罗米修斯。从最古老的光合作用到现代的光化学反应，还有无数关乎生命起源和人类命运的故事等待揭晓，我们热切地期盼去探索这些秘密，正如我们期待迎接每天黎明的第一束光。