葉っぱを作るには何ステップ必要ですか？

道に落ちた葉を踏んで、足元でザクザクという音が聞こえたとき、一見普通の葉が枝の上で静かに魔法のような使命を果たしたと考えたことはありますか?

光合成により二酸化炭素を吸収し酸素を放出し、地球上のすべての生命の呼吸と共生を維持しています。自然の絶妙な「デザイン」の中でも、葉は間違いなく最も素晴らしい「工場」のひとつです。

人間はこの自然の不思議な「魔法」を再現できるのでしょうか?

可能であれば、この「工場」を利用してクリーンエネルギーを生産し、二酸化炭素排出量を削減し、気候変動のペースを遅くすることで、人類が将来のエネルギーと環境の課題にうまく対処できるようにすることができます。

最近、西湖大学工学部の劉殿怡氏の研究室で、天然の葉に非常によく似た「人工生物葉」が栽培された。この葉はペトリ皿の中で静かに横たわり、太陽の呼び声を待っています。

人工葉とは何ですか？人工葉の概念は、光エネルギーによって水を分解し、二酸化炭素を使って有機物を生成することで、大規模に水素を生成することを目的として、1980年代に初めて生まれました。

科学者が溶液の入ったチューブを「人工葉」と呼んでいるのを見ても驚かないでください。人工の葉はもともと葉の「形」ではなく「機能」をシミュレートしていたからです。

科学者はなぜ人工葉を研究するのでしょうか?

「天然の葉は何億年もかけて進化し、精巧な構造をしていますが、光合成効率は高くなく、わずか1％程度です」と劉殿易氏は説明した。天然の葉は青紫色光と近赤外線の一部のみを吸収します。吸収される光子の数は限られており、効率は制限されます。

そこで、科学者がさまざまなニーズに応じて葉のデザインを最適化し、適切な材料を選択し、光吸収効率を改善し、光合成の限界を克服することができれば、これらの人工葉は「感情のない」効率的な「光合成マシン」になるでしょう。

自然の葉の光合成を模倣する人工装置の設計に関する研究は数十年にわたって続けられてきました。劉殿易の研究室で再現された人工葉は、他の「人工葉」と比べて何が特別なのでしょうか？

初めて見ると、まるで「本物の葉っぱ」のように見えるでしょう。この葉をよく見ると、表面は単なる薄い膜のように見えますが、内部には複雑な生体工学的設計が含まれています。

葉の核は光電半導体と特殊なバクテリアで構成された「協同組合」です。太陽光にさらされると、半導体は光エネルギーを捕捉し、それを電子の動きに変換します。このエネルギーは半導体に付着したバクテリアに「栄養剤」のように伝わり、バクテリアは「生命力に満ち溢れた」状態となり、二酸化炭素を酢酸などの有機物に効率よく変換し始めます。

「これはまさに人工の生物葉だ」と劉殿易氏は語った。葉の形をしているだけでなく、天然の葉のように太陽光を吸収し、二酸化炭素を変換することができ、本物の生命力を持っています。まるで「呼吸」と「代謝」の機能を持つ、生きた「マイクロファクトリー」のようです。

葉を「複製」するには何ステップ必要ですか?

この魔法の葉はどうやって作られるのでしょうか？

Liu Dianyi の研究室に行って、葉を複製するのに何ステップ必要か見てみましょう。

ステップ1: ブレードに「電源」を取り付ける

自然界において、葉の驚​​くべき点は、光合成によって太陽光をエネルギーに変換する能力です。このプロセスの核となるのはクロロフィルです。人工葉に光合成機能を持たせるために、劉殿易氏のチームが研究室で最初に直面した課題は、クロロフィルを模倣できる「電源」を見つけることだった。

彼らは、光を効率的に吸収して電子を生成でき、人工葉の「光キャッチャー」と呼べるポリマー半導体フィルムを選択しました。

葉の光吸収と変換効率を高めるために、研究チームはさらに「バルクヘテロ接合」構造を設計した。簡単に言えば、この構造は、太陽光の下で電子と正電荷を帯びた「正孔」を分離し、内部エネルギーの消費を回避して葉が光を吸収し続けることができる効率的な「エネルギーバッテリー」のようなものです。

|生物学的人工光合成システムの電子移動原理の模式図。最終的に、この半導体フィルムによって吸収された光エネルギーはバクテリアの「栄養素」に変換され、葉に継続的な電力源を提供します。

「実際のところ、バイオニック光合成の概念は新しいものではない」と劉殿易氏は語った。 「数十年前、科学者たちは無機物を使って光合成を完結し、水を分解して水素と酸素を生成することを思い描いていました。しかし、無機物には実際の生物のような活力が欠けていることが多く、光合成機能は部分的しかありません。」

光エネルギーを捕捉するためにクロロフィルの代わりに半導体材料が使用され、その「仕事」を完了するために細菌が「労働者」として使用されます。このユニークな組み合わせにより、人工葉は単なる変換装置ではなく、生きた「工場」にもなります。

ステップ2: 葉を生き生きとさせる

光合成の「動力源」を手に入れた後の次の目標は、葉に本当の「活力」を与えることです。つまり、葉が光を吸収するだけでなく、「生き生き」できるようにすることです。

葉の「心臓部」にある重要な構成要素は、セミの羽ほどの薄さの柔軟な膜で、二酸化炭素を変換する機能を持つ多くの細菌が生息しています。これらの「小さな働きバクテリア」は葉の中に自然に存在するものではなく、慎重に選別され、特別に設計された「外来の細胞働きバクテリア」です。半導体材料は太陽光を吸収し、光エネルギーをバクテリアに伝達する役割を果たし、二酸化炭素変換の効率を大幅に向上させます。

「このプロセスでは、バクテリアが『触媒』のように働き、葉が継続的に二酸化炭素を変換するのを助けます」と劉殿易氏は鮮明に説明した。

これらのバクテリアを葉の上で「生かす」ために、研究チームは実験を繰り返し、最終的にバクテリアが半導体フィルム上に「定着」できる適切な付着方法を見つけました。半導体によって伝達されたエネルギーを得た後、細菌は二酸化炭素を継続的に「飲み込み」、それを有用な有機物に変換します。

それ以来、葉の「生命力」が現れ始めました。この多機能な「マイクロ工場」は自由に呼吸できるだけでなく、「繁殖と拡散」を続けることもできます。

ステップ3: 葉に「形」をつける

動力源と生命力を手に入れたら、次は人工刃に「形」を与えることが大きな課題となる。

これまでの研究では、人工光合成システムの多くは溶液状態のみであり、葉の固体形態は欠けていました。今回、劉殿易氏のチームは最初から明確な目標を設定しました。「人工葉」と呼ばれるこの葉は、機能だけでなく、葉の形状と構造も備えていなければなりません。

この問題を解決するために、Liu Dianyi 氏のチームは軽量でフレキシブルな基板を使用しました。この柔軟で軽量な基材の上に高分子半導体フィルムを塗布します。こうすることで、葉は水生植物の葉のように水に浮かぶようになります。この設計により、葉は太陽光で二酸化炭素を吸収できるだけでなく、将来的にはグリーンカーボンシンクとして大規模に使用することもできます。

さらに、研究チームは「準固体」の人工葉も設計し、寒天などの材料を加えることで葉の構造的安定性を高めた。これにより、ブレードは水面で動作するだけでなく、陸上環境でも安定して機能します。

このステップにより、人工葉は機能を持つだけでなく、天然葉と同様の形態を持ち、完全なシステムになります。

|生きていて、自然の葉と同じ形と機能を持つ人工の葉の模式図

ステップ4：「ブレードサイクル」を実現する

光を吸収する「電源」、生存可能なバクテリア、そして安定した形状により、人工の葉が形を成しました。

劉殿易氏のチームが期待しているのは、単に光合成を行える装置ではなく、自然のサイクルに真に参加できる「人工葉」だ。

研究チームは実験を通じて、この葉から生成される酢酸は工業原料として使用できるだけでなく、酵母の培養や食品生産のための栄養素の提供にも使用できることを発見した。この循環的な設計により、人工葉は単なる実験製品ではなく、生態系に統合される可能性を秘めた「新種」となります。

この研究により、人工葉は実験室で炭素から食物への完全な変換を達成することができ、当初は人工生態系の機能を備えていました。

生成された酢酸は、食品生産のための酵母の培養にさらに使用されます。

将来、人工葉はいくつの段階を踏むことになるのでしょうか？材料設計から「生命」の付与、機能実現から生態循環まで、葉っぱを作るには簡単な「4つのステップ」しか必要ないようだが、劉殿易氏のチームには4年もの歳月がかかった。

なぜなら、このプロセスは生物学、化学、材料科学、工学など複数の分野にまたがる学際的な課題に満ちているからです。

西湖大学の公式サイトで劉殿易氏の履歴書を見ると、同氏は長年にわたり光電子材料およびデバイスの分野で研究に従事してきた。以前、彼の生物学分野に関する知識は非常に限られていました。ウェストレイク大学の強力な学際的な雰囲気のおかげで、研究チームは関連文献を読むことに加えて、生命科学学部の研究室といつでもコミュニケーションを取り、互いに学ぶこともできます。

最後に、まったく馴染みのない分野から段階的に問題を解決するまで、材料科学、バイオエンジニアリング、物理化学 - これらの分野がこの葉の上で巧みに絡み合い、人工葉を構想から現実のものへと作り上げています。

将来的には、さまざまな分野の科学者がこれを基にさらに一歩踏み出し、この成果をより幅広い応用分野へと推進できるようになるでしょう。

想像してみてください。おそらく近い将来、これらの「呼吸する」葉が水に浮かんで建物の最上階を覆い、静かに二酸化炭素を吸収し、酸素と有機物を生成し、まさに小さな「グリーン工場」となるでしょう。

もっと遠い未来を想像すると、人類が火星などの惑星に向かうとき、これらの人工の葉は彼らの「旅の仲間」となり、異星の豊富な二酸化炭素を利用して酸素と食料をもたらし、異星の環境で生命が存続できるようにするかもしれません...

1個、2個、3個、または4個。私たちは、これらの人工生物の葉が研究室から「解放」され、より広い世界に飛び出し、より多くの可能性をもたらすことを願っています。

（出典：ウェストレイク大学）