氧化磷酸化或者光合磷酸化的电能可以利用起来，成为可供人类使用的电能吗？
这是一个非常有趣也很有深度的思考！从生物化学和物理学的角度来看，我们来聊聊氧化磷酸化和光合磷酸化的电能能否直接转化为人类可用的电能。
首先，我们得明白，这两种过程的“电能”是怎么产生的，以及它们与我们日常使用的电能（比如家里插座里的电流）有什么本质区别。
氧化磷酸化和光合磷酸化的“电能”是怎么回事？
这两种过程的核心都在于电子传递链（Electron Transport Chain, ETC）。想象一下，这是一个接力赛，只不过传递的不是棒子，而是带负电的电子。
氧化磷酸化： 主要发生在细胞的线粒体中。我们吃下去的食物（主要是葡萄糖等碳水化合物，以及脂肪和蛋白质的代谢产物）会被分解，在这个过程中会产生一系列富含高能电子的分子（比如NADH和FADH₂）。这些电子就像是“小火车”，被沿着一系列蛋白质复合物（像是“车站”）逐级传递。在这个传递的过程中，电子的能量会逐渐被释放出来。
关键点： 电子传递链将电子的化学能转化为一种质子梯度（Proton Gradient）。电子传递链中的一些复合物会利用这些电子传递过程中释放的能量，将质子（H⁺，也就是氢原子失去一个电子后的带正电的核）从线粒体基质泵送到线粒体膜间隙。这就好比给某个区域充钱，让那里的“正电荷”密度大大增加，与线粒体基质形成了一个“电势差”或者“化学势差”。
能量的“转化”： 最终，这些质子会顺着这个浓度和电势差，通过一个叫做ATP合酶（ATP Synthase）的分子机器“流”回线粒体基质。这个流动的过程就像水流过水力发电机，带动ATP合酶转动，而ATP合酶则利用这个机械能，将ADP和磷酸结合，生成能量载体ATP。ATP就是细胞可以直接利用的“能量货币”。
光合磷酸化： 主要发生在植物和某些细菌的叶绿体中。这个过程是利用光能来驱动电子传递。光能被叶绿体中的色素（主要是叶绿素）吸收，激发电子。这些被激发的电子也沿着一套电子传递链传递，同样在这个过程中产生一个质子梯度（将质子泵入叶绿体的类囊体腔）。最终，质子流经ATP合酶，生成ATP。
关键点： 光合作用的第一阶段（光反应）就是在将光能转化为化学能（ATP和NADPH），然后这些化学能会在第二阶段（暗反应）中用于固定二氧化碳，合成糖类。
那么，这种“电能”能直接转化为我们用的电能吗？
直接转化为我们插座里的交流电，可能性微乎其微，或者说，从目前的科技和生物学原理来看，几乎是不可能的。 原因有很多，但最根本的在于：
1. 能量形式的差异与传递机制：
生物体内的“电能”： 氧化磷酸化和光合磷酸化的“电能”更多地体现在离子跨膜运动产生的电化学势梯度以及电子在分子间的定向传递。电子传递链的“电流”是微观的、局部的、发生在分子层面的，而且电子的载体是特殊的有机分子和金属离子。它不是自由电子在导线中定向移动形成的宏观电流。
人类使用的电能： 我们通常使用的是宏观的、由自由电子在导线中定向移动形成的电流，通常是交流电（电压和电流方向周期性变化）。我们利用的是电场力驱动电子移动的能量。
2. 能量转换的效率与规模：
生物体内的转换： 生物体内的电子传递链和ATP合酶是高度特异化和优化的生物机器，它们将电子的化学能或光能非常高效地转化为ATP中的化学能。这个过程是为了满足细胞的生化需求，其能量的“收集”和“利用”都是在分子水平上进行的。
宏观电能的产生： 要产生宏观的可用电能，需要有大量的电荷载体（自由电子）在宏观导体中定向移动，并形成足够大的电压和电流。生物体内的质子梯度虽然可以被看作是一种“电势差”，但其规模和载体性质与宏观电学所需的截然不同。
“导出”能量的难度： 如何将线粒体膜上或类囊体膜上的质子梯度“导出”到外部，并驱动一个宏观的电能产生设备？这就好比试图从一个装满水的桶里，用一个极其微小的管道去驱动一个大型水力发电机。生物体内的能量转换是封闭的、自给自足的生态系统，能量传递的“接口”是专门用于合成ATP的。
3. 电子的性质与载体：
在生物体内，电子是附着在特定的分子上的，这些分子按照一定的顺序传递电子。它们不是自由电子，不能像金属导体中的电子那样随意移动。
而质子梯度，虽然可以产生电势差，但这些质子是在膜两侧分布不均，它们流动的动力是由浓度和电荷差异驱动，这个“电流”是质子在水中扩散和迁移。要想转化为宏观电能，需要将质子的流动转化为电子的流动，这中间还需要一系列复杂的转换。
有没有可能“借鉴”生物学原理来发电？
虽然无法直接“抽”出生物体内的电能，但生物学原理却给了我们很多启发。
生物燃料电池（Biofuel Cells）： 这是目前比较接近的尝试。生物燃料电池利用酶或微生物来催化有机物氧化，释放能量。在这个过程中，电子会从有机物转移到电极上，形成电流。
原理借鉴： 它们借鉴了生物体内的氧化磷酸化过程，利用特定的催化剂（酶或微生物）来实现有机物的分解和电子的转移。
区别： 生物燃料电池是在体外进行，将电子直接转移到电极上，形成可用的电能，而不是生成ATP。它们试图模拟的是生物体内的电子传递，但目标产物是电子电流。
挑战： 生物燃料电池的功率密度和稳定性仍然是亟待解决的问题。
仿生太阳能电池（Biomimetic Solar Cells）： 借鉴光合作用的原理，科学家们正在研究模仿叶绿素吸收光能、并引发电子传递的材料和器件，希望能更高效地将光能转化为电能。
总结一下：
氧化磷酸化和光合磷酸化确实在生物体内产生了类似于“电”的能量形式——电化学势梯度和电子的定向传递。这种能量形式在分子尺度上非常高效，但它被精确地用于在细胞内合成ATP，这是生物体直接可以利用的能量形式。
要将这种生物体内的微观、特殊的能量形式，通过某种方式“导出”并转化为我们日常生活中使用的宏观、自由电子流动的电能，在目前的理解和技术下，是极其困难的，几乎不可能直接实现。因为这涉及到能量形式的根本转换、载体性质的差异以及能量规模的巨大鸿沟。
然而，生物学中的这些精妙机制，尤其是电子传递链和能量转换的方式，确实为我们设计更高效的能源转换技术（如生物燃料电池、人工光合作用）提供了宝贵的灵感和方向。我们是在学习和模仿，而不是直接抽取。
首先，我们得明白，这两种过程的“电能”是怎么产生的，以及它们与我们日常使用的电能（比如家里插座里的电流）有什么本质区别。
氧化磷酸化和光合磷酸化的“电能”是怎么回事？
这两种过程的核心都在于电子传递链（Electron Transport Chain, ETC）。想象一下，这是一个接力赛，只不过传递的不是棒子，而是带负电的电子。
氧化磷酸化： 主要发生在细胞的线粒体中。我们吃下去的食物（主要是葡萄糖等碳水化合物，以及脂肪和蛋白质的代谢产物）会被分解，在这个过程中会产生一系列富含高能电子的分子（比如NADH和FADH₂）。这些电子就像是“小火车”，被沿着一系列蛋白质复合物（像是“车站”）逐级传递。在这个传递的过程中，电子的能量会逐渐被释放出来。
关键点： 电子传递链将电子的化学能转化为一种质子梯度（Proton Gradient）。电子传递链中的一些复合物会利用这些电子传递过程中释放的能量，将质子（H⁺，也就是氢原子失去一个电子后的带正电的核）从线粒体基质泵送到线粒体膜间隙。这就好比给某个区域充钱，让那里的“正电荷”密度大大增加，与线粒体基质形成了一个“电势差”或者“化学势差”。
能量的“转化”： 最终，这些质子会顺着这个浓度和电势差，通过一个叫做ATP合酶（ATP Synthase）的分子机器“流”回线粒体基质。这个流动的过程就像水流过水力发电机，带动ATP合酶转动，而ATP合酶则利用这个机械能，将ADP和磷酸结合，生成能量载体ATP。ATP就是细胞可以直接利用的“能量货币”。
光合磷酸化： 主要发生在植物和某些细菌的叶绿体中。这个过程是利用光能来驱动电子传递。光能被叶绿体中的色素（主要是叶绿素）吸收，激发电子。这些被激发的电子也沿着一套电子传递链传递，同样在这个过程中产生一个质子梯度（将质子泵入叶绿体的类囊体腔）。最终，质子流经ATP合酶，生成ATP。
关键点： 光合作用的第一阶段（光反应）就是在将光能转化为化学能（ATP和NADPH），然后这些化学能会在第二阶段（暗反应）中用于固定二氧化碳，合成糖类。
那么，这种“电能”能直接转化为我们用的电能吗？
直接转化为我们插座里的交流电，可能性微乎其微，或者说，从目前的科技和生物学原理来看，几乎是不可能的。 原因有很多，但最根本的在于：
1. 能量形式的差异与传递机制：
生物体内的“电能”： 氧化磷酸化和光合磷酸化的“电能”更多地体现在离子跨膜运动产生的电化学势梯度以及电子在分子间的定向传递。电子传递链的“电流”是微观的、局部的、发生在分子层面的，而且电子的载体是特殊的有机分子和金属离子。它不是自由电子在导线中定向移动形成的宏观电流。
人类使用的电能： 我们通常使用的是宏观的、由自由电子在导线中定向移动形成的电流，通常是交流电（电压和电流方向周期性变化）。我们利用的是电场力驱动电子移动的能量。
2. 能量转换的效率与规模：
生物体内的转换： 生物体内的电子传递链和ATP合酶是高度特异化和优化的生物机器，它们将电子的化学能或光能非常高效地转化为ATP中的化学能。这个过程是为了满足细胞的生化需求，其能量的“收集”和“利用”都是在分子水平上进行的。
宏观电能的产生： 要产生宏观的可用电能，需要有大量的电荷载体（自由电子）在宏观导体中定向移动，并形成足够大的电压和电流。生物体内的质子梯度虽然可以被看作是一种“电势差”，但其规模和载体性质与宏观电学所需的截然不同。
“导出”能量的难度： 如何将线粒体膜上或类囊体膜上的质子梯度“导出”到外部，并驱动一个宏观的电能产生设备？这就好比试图从一个装满水的桶里，用一个极其微小的管道去驱动一个大型水力发电机。生物体内的能量转换是封闭的、自给自足的生态系统，能量传递的“接口”是专门用于合成ATP的。
3. 电子的性质与载体：
在生物体内，电子是附着在特定的分子上的，这些分子按照一定的顺序传递电子。它们不是自由电子，不能像金属导体中的电子那样随意移动。
而质子梯度，虽然可以产生电势差，但这些质子是在膜两侧分布不均，它们流动的动力是由浓度和电荷差异驱动，这个“电流”是质子在水中扩散和迁移。要想转化为宏观电能，需要将质子的流动转化为电子的流动，这中间还需要一系列复杂的转换。
有没有可能“借鉴”生物学原理来发电？
虽然无法直接“抽”出生物体内的电能，但生物学原理却给了我们很多启发。
生物燃料电池（Biofuel Cells）： 这是目前比较接近的尝试。生物燃料电池利用酶或微生物来催化有机物氧化，释放能量。在这个过程中，电子会从有机物转移到电极上，形成电流。
原理借鉴： 它们借鉴了生物体内的氧化磷酸化过程，利用特定的催化剂（酶或微生物）来实现有机物的分解和电子的转移。
区别： 生物燃料电池是在体外进行，将电子直接转移到电极上，形成可用的电能，而不是生成ATP。它们试图模拟的是生物体内的电子传递，但目标产物是电子电流。
挑战： 生物燃料电池的功率密度和稳定性仍然是亟待解决的问题。
仿生太阳能电池（Biomimetic Solar Cells）： 借鉴光合作用的原理，科学家们正在研究模仿叶绿素吸收光能、并引发电子传递的材料和器件，希望能更高效地将光能转化为电能。
总结一下：
氧化磷酸化和光合磷酸化确实在生物体内产生了类似于“电”的能量形式——电化学势梯度和电子的定向传递。这种能量形式在分子尺度上非常高效，但它被精确地用于在细胞内合成ATP，这是生物体直接可以利用的能量形式。
要将这种生物体内的微观、特殊的能量形式，通过某种方式“导出”并转化为我们日常生活中使用的宏观、自由电子流动的电能，在目前的理解和技术下，是极其困难的，几乎不可能直接实现。因为这涉及到能量形式的根本转换、载体性质的差异以及能量规模的巨大鸿沟。
然而，生物学中的这些精妙机制，尤其是电子传递链和能量转换的方式，确实为我们设计更高效的能源转换技术（如生物燃料电池、人工光合作用）提供了宝贵的灵感和方向。我们是在学习和模仿，而不是直接抽取。
网友意见
氧化磷酸化或光合磷酸化的电能可以利用，但专门用这东西制作“发电工具”的效率委实傻到了一定的地步，而且其上限太低。在目前的技术水平和近未来能期待的技术水平下，你将植物的躯体当做燃料去发电，都会比自己整一套这种玩意来得便宜且有效得多。
而且，你不觉得氧化磷酸化所消耗的有机物得另行制造么。
- 2021 年 3 月，一些美国环保人士怒斥欧洲的所谓“生态友好型经济”依赖燃烧从美国进口的木材，“燃烧木头给他们提供的发电量多于风能与太阳能的总和”。他们说，燃烧生物质排放的碳多于燃烧同等产热量的煤炭，而且“太阳能电池板的发电量，约为燃烧同面积生物质能源的发电量的一百倍”。如果要让生物质多负担 2% 的全球能源供应量，全球木材砍伐量就要翻倍。
- 美国东南部的木材产量占世界的六分之一。美国南方目前有二十三家大型木材颗粒加工厂，砍伐的森林被粉碎成木屑、压成胶囊大小的颗粒、装船运往欧洲——看起来，在各种虚构概念的包装下，北美在做很传统的事情。
- 美国国会的预算法案认为，只要美国的森林资源总量稳定或还在增加，美国生物质能源产业带来的净排放量就不会超过零。为此，他们大面积种植速生林，并比造纸行业更快地轮番砍伐。从 2007 年到 2017 年，美国的森林覆盖率实际上增加了约百分之二。
植物、蓝菌等生物通过光合作用将太阳能转换成电势能，驱动一系列生化反应，将二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，其化学反应过程决定了 C3 植物的理论极限效率约 4.6%，C4 植物的理论极限效率约 6%，单细胞光合生物的理论极限效率约 8% 到 13%。
葡萄糖与氧在标准状况下进行反应所释放的能量只有约 38.3％变为 ATP 的化学能。在生物细胞内，这个效率可以提到约 50%，但那同时意味着需要损耗大量的能量来维持细胞的生命。
氧化磷酸化与光合磷酸化都有电子漏出想定的传递链之外。
你可以考虑一下人类业已掌握能量效率 40% 到 60% 的燃料电池，能量效率 85% 的热电联产燃料电池，发电效率 45% 到 48% 的超超临界火电机组，发电效率接近 90% 的水电机组。
现实中的光合生物受到地球运转带来的太阳照射变化、天气、植物体内的环境、细胞的承受力、自身随机发生的光呼吸等影响，植物的实际光合作用效率多在 0.3% 到 0.5%以内，只有极少数物种能达到 1%；珊瑚共生虫黄藻的光合作用效率在 3% 到 4%，这依赖珊瑚组织和骨骼的光学特性。
- 基因工程处理光呼吸发生率、通入加压二氧化碳之类手段已经试过了，能达到的最大增幅根据植物物种而异，从未接近过理论极限，而且二氧化碳浓度不是越高越好，光合作用速率也要考虑活性氧对细胞的损害。
- 光合生物体内的温度和离子浓度受细胞的承受力限制，不能追求理论极限。
- 也可以参考化能合成生物的情况：即便是海洋化学合成生物体内极端的环境，对其化学合成效率的提升也十分有限。
市面上可以买到的太阳能电池的光能到电能转换效率在 20% 到 30%，实验室里有自然光下 39%、聚光下 46% 到 50% 的品种尚未推广[1]。已经实际建设的聚光光伏发电系统的峰值效率可以达到 40% 到 50%。
对于现实中的太阳能设备，由于地球运转带来的太阳照射变化、天气等影响因素，平均转换效率不会维持在上述最大效率。目前，太阳能发电塔的年净太阳能发电效率为 7% 到 20％。
在这之外，早已有多个彼此独立的研究团队制造了接受太阳光照射后立即电解水的装置，光电化学电池。这类设备将太阳光能转换为化学能的效率在二十世纪末就超过了 5%，在 2017 年达到了 16.2％，目前还不值得商用——其主要问题是稳定性不足，在 2020 年才达到 1000 小时稳定运行、最高效率14%。
在太阳能光热发电方面，市面上可以买到碟式反射镜聚光的碟式斯特林热机，效率约 30%，一些装置在测试中达到过 31.25% 到 34% 的峰值效率。现实中运行的碟式斯特林热机的年平均效率为 12% 到 25％。
- 太阳能热电联产的能量转换效率可以达到 60% 到 70%。
此外，人们也可以用机器进行光合作用，生产出有机物而非氢燃料。目前，人工光合作用的效率难以跟光伏、光热手段竞争[2]，市面上还没有实用的产品。
- 2020 年，上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过 20% 的二氧化碳还原人工光合作用系统。林柏霖表示，通过定量系统工程分析发现，该电极如果与目前最先进的太阳能电池搭配，可以充分利用太阳能电池的光电流，预计太阳能到化学能的最高转换效率约为 25%[3]。
参考
- ^ Geisz, J.F., France, R.M., Schulte, K.L. et al. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nat Energy 5, 326–335 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-
- ^ 即使要储存能量日后再用，好一点的电解水装置有75%到88%的效率，你把太阳能热电联产那些电力接到电解水装置上产氢都会完爆现有的人工光合作用，所以人工光合作用不达到更高效率就不值得使用。
- ^ 相关成果于2020年8月5日在线发表于《材料化学杂志A》。https://doi.org/10.1039/D0TA06714H
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