反向燃烧

用科学家的眼睛，你几乎可以看到碳在生活环境中的循环。看着一棵树，你会意识到它是从一棵小幼苗长成的，所有的质量都来自于某个地方。活树重量的一半(或多或少)是水，但另一半几乎完全是各种碳化合物——几乎所有的碳都是以二氧化碳的形式从空气中吸收的。磷、氮和硫是通过土壤产生的，但你现在看到的大部分物质过去都存在于大气中。把木头烧了，大部分都能回去。

但是想象一下相反的燃烧:吸收二氧化碳并将其转化为更多的低碳化合物。从多个方面来看，这都是一件好事。我们可以从大气中提取二氧化碳(目前大气中的二氧化碳确实太多了)，并创造出一种有用的化学原料，而不必在整个过程中使用化石燃料。让我们用一个简短的短语，其中隐藏着大量的工作，并说，在足够大的规模上运行，这样的过程将改变世界。

一棵树中几乎所有的碳都是以二氧化碳的形式从空气中吸收的。把木头烧了，大部分都能回去。

现在，你的热力学直觉很可能会告诉你(正确的!)，因为燃烧是一个很好的能量释放过程，反转它将以某种方式将能量放回系统。这确实是没有办法的，但关键是如何尽可能降低能量输入。以氮为例:微生物在室温和常压下大规模地固定着大气中的氮。与此同时，我们人类依赖于哈伯过程的变化。它在高温高压下运行，消耗大量能源，但却使世界上很大一部分人口得以生存，并使地球上剩余的很大一部分野生景观通过化肥生产得以耕种。

同样，植物也在不断地反向燃烧树叶中的二氧化碳。外部能源当然是阳光。通过酶催化，这一过程的能垒变得尽可能小，就像固氮一样。这可能是一种可以模仿的东西，制造一种巨大的增压太阳能人工树叶。更重要的是，在植物中，电化学反应的另一半是水分解，在人工系统中，这可以用来产生非常有用的纯氢流。事实上，这一进程本身就是一个巨大的进步。你不会惊讶地发现，为了实现这些想法，已经投入了大量的金钱和精力。

我们倾向于认为酶具有惊人的选择性和转化率，但RuBisCo的工作速度只有每秒3个二氧化碳分子

并发症接踵而至，一如既往。即使我们匹配了酶的途径，我们几乎肯定会首先将它部署在二氧化碳浓度更高的地方，比如排气管和烟囱。这意味着我们神奇的催化剂需要在不产生污染的情况下处理废物流的其他成分。那催化剂呢?处理二氧化碳固定的第一步的植物酶是RuBisCo，研究它有点令人担忧。我们倾向于认为酶具有惊人的选择性和周转率，在过去的一两年里，许多酶都获得了非凡的活性。但是RuBisCo的工作速度只有每秒3个单独的二氧化碳分子，这就是为什么在任何活的植物中都有如此大量的RuBisCo(它几乎可以肯定是地球上最丰富的酶)。这种低周转率似乎是酶在活性部位吸收二氧化碳而不是氧气的直接结果。如果有一种方法可以同时获得更高的活性和更高的选择性，那么自第一个光合生物出现以来，进化(尽管成功带来了巨大的回报)就没有发现它，这确实值得思考。因此，人们正在努力研究各种有趣而不寻常的无机和有机金属催化剂，这是生物化学进化尚未有机会如此彻底地探索的领域。

正在取得进展，没有理由认为这些目标是不可能实现的。我们自己的聪明才智让我们陷入了二氧化碳的陷阱，也许它可以把我们救出来。世界可能会再一次被改变。