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在光化学中，一个占支配地位的极其重要的光源就是太阳。然而，除农业之外，我们所知的太阳光化学效应对工业来说危害大于其总体贡献。在天然的或合成的有机材料方面，最突出的光化学问题是在阳光下色素褪色、橡胶变黄，所有有机材料在光作用下性能变差。在大气中，所有诸如光化学烟雾和同温层臭氧的消耗等主要问题也归咎于光化学效应。阳光的光医学影响，如皮肤癌，常常使我们对日光浴感到扫兴。
所有这些都使早期的充满希望的光化学家们感到彷徨。现引述其中三种见解：
首先，M·法拉迪（Micheel Faraday）在他唯一的著作《化学操作》中告诉我们如何设计一个实验室。他说：“已经发现，太阳光射线对化学变化有强烈的影响：他们操纵了以任何其它试剂所无法得到的化合和分解作用。现在，不仅在诸如光气、碳的氯化物等特有物质的制备方面，在分析过程中也常常借助于光的作用。因此，在实验室建设中为直接利用太阳光而提供合适条件，以便化学家们更频繁地试验这种在目前尚知之甚少的特有化学能是十分必要的。”
第二、G·西米斯安（Giacomo Ciamician），有机光化学的先驱，擅长于在异丙醇溶液中进行苯二甲酮光烯醇化作用的研究。他在1812年写道：“在贫瘠的土地上将出现没有烟和烟囱的工业群，玻璃管将在旷野中林立，玻璃建筑物将耸立在每个地方，在这其中将发生迄今为止仍然恪守秘密的植物光化学过程，这一过程终将会被人类所掌握。
第三、玩世不恭而又现实的J·赛夫特（Jonathan Swift）， 记载了古利凡（Gulliver）对Lagado研究院（可能类似于皇家科学院）的访问：“我遇到一个人，他用8年的时间致力于抽取黄瓜中的太阳光， 再神秘地放入封口的小瓶中，然后把它放置在外面以温热酷夏中的空气。古利凡说，他告诉我，‘他毫不怀疑在以后8年中， 他将能向总督花园提供可观的太阳光’，但他抱怨说，他的储量不足，请求我给他点什么以作为对他的智慧的鼓励，尤其因为这是一个黄瓜昂贵的季节。”
像今天所有人一样，他也需要资助。
然而，Brobddingnag的赛夫特的国王对此提出了他的看法：“能够使以前只长一串谷穗和一根草的地方长出两串谷穗和两根草来的人将是人类的精英。对社会来说，他所做出的贡献将比整个政治家群体加在一起所做的更有意义。”
确实，太阳光化学是所有化学过程中最重要的过程，没有它，化学就失去意义，我们在地球上就无立锥之地。
生命及其进化——早在30多亿年以前开始——一直由太阳主宰着，绿色植物是这时期中光作用的产物，由较高级的植物所进行的有机材料的光合作用为我们提供了所有的食物、大部分燃料、大多数材料和化学制品，如油类和药物制品。
所有技术中首要的问题是农业，这是最大的人类工程。5000年来，人们因适应自然而从中受益。然而，几乎没有创建技术。今天，所有物理和生物科学包括遗传工程的能力都被应用于改造植物世界，其发展前景尚不容乐观，特别是当过去光合成的化石产物，例如石油已逐渐枯竭的时候。
我们的首要目的是改进植物从太阳收集和贮存能量的效率，让我们考察在热力学定律范围内光化学允许的过程和已知的光合作用的初级过程。对某些特定产品，最显而易见的如食品和过去的燃料生产，只有当自然光合作用可以更经济地与之竞争，我们则更青睐于此而非能量生产和贮存的非生物方法，包括其它的太阳能转换方法，如光伏打电池和风车。
光合作用可以提供未来人类需要的能量吗？
用于全世界的动力
在地球上可用的太阳能量远大于人类的需要。
（1）世界能源需要与太阳能源的比较
全世界每年因商用消耗80亿吨石油，相当于9.5TW 的功率分给全球53亿人，即每人1.8KW。在地球表面的平均太阳能是每公顷2MW 或26 ×1012KW，即每人5000KW。
值得注意的是，每人1.8KW这一数值是全世界的平均值， 其中在国家之间隐含了巨大的差距，在发达国家中的12亿人口消耗的能量是发展中国家的41亿人口消耗量的两倍。美国人均消耗能量10KW，而在欧洲为5KW，在世界其余地区平均为1KW。世界上约有20亿人使用非商业性燃料，主要以木材和畜粪作为他们的基本能源。
这些数字首先表明， 在地球表面有超出我们人类所消耗能量总和2000多倍的太阳能。然而，这些能量中的大部分是低级的，不适宜转化为功或自由能。此外，不幸的是，光合作用——这常常是收集太阳能的主要过程——并不是十分有效的。典型的例子有：由农产品如蔗糖、丛林所贮存的年平均能量不到太阳辐射在相同区域的能量的1%。如表1所示。
表1由农产品贮存的能量
作物 吨(干货) KW/公顷太阳能效率
公顷/年 (GJ年×0.1)(%)
马铃薯最高产量 22
18.71.25
丛林
21 100.67
油菜籽 7 3 0.2
精油
1.50.1
低效率的原因是多方面的。由于热力学和太阳多色光的限制引起的损失可以归纳如表2所示。 由于太阳辐射的宽阔波长范围以及绿叶植物只具有一个阈值，造成主要的一项损失62%，这原则上可以通过应用具有不同阈值的多重势阱来减小，正如在类似三明治结构的一些硅光电池，一个三组分系统将可能多出40 %以上的总效率。 绿色植物的阈值为700nm， 这不是最佳的， 在硅中， 单重阈值吸收器的理论效率在阈值1100nm时为37%，而在细菌光合成过程中，细菌叶绿素阈值为 870nm，其效率介于绿色植物和硅之间，但是细菌并无完成包括水解和除氧光合成的能力。
表2 太阳能以功或自由能或化学势贮存的理论效率
损失原因损失的效率
16000K辐射熵 0.95
2散射辐射熵 0.82
3有限功率非平衡过程 0.94
4多色光源0.38
5贮存传递过程0.95
在阈值700nm时总效率 0.27
其中占第二位的18%的损失可以通过使用集能器来大幅度地减少，然而，尽管在理论上以此改进植物本身的效率是可能的，但它们占有一个更大的区域却并无所获，除非该集能器比覆盖相同区域的植物更便宜，然而这是不可能的。
因此，在没有多重吸收器和集光镜的条件下，以叶绿素在700nm 吸收阈值将太阳能转换成功的理论最大热力学效率为27%，这远大于在农业实际过程中所能达到的值。
因为在光合作用过程本身还存在其他较大的损失，包括在一个光子吸收之后的化学和生物物理过程中的低效率，以及在计算理论最大值时已经考虑的损失。一是由于每个二氧化碳分子反应需要传递4个电子， 每次传递需2个光子，从而导致8个光子参与反应，二是由于每个光子反应包括光系统1（PS1）和光系统2（PS2）两个步骤。过剩的能量造成了在能量转移（也许微不足道）和电子传递过程中的低效率，而在电子转移中用以阻止逆转反应的能量损失是不可避免的。
CO[,2]+H[,2]O=CH[,2]O+O[,2] △G=500KJmol[-1]
量子产率（线性区域）为8～9，680nm 的光相当于176KJ ·einstein[-1]，最小量子产率为500／176＝2.84， 与量子产率8比较，则效率被2.84／8＝0.355减少到27%×0.355＝9.6%
（从另一个角度考虑，电解水需要1.23ev的电势，680nm 的光量子相当于1.86ev，所以只利用了其中的66%，使效率由27%降到17.8%（0.27×0.66）。由于上述反应涉及4个电子和4个光子，亦即500 ／4 ＝125KJ＝1.3ev。这一数值看来过于贴近了，在一个光子吸收之后的下一步骤就是导致效率减半（17.8%／2＝8.91%的2个光子传递过程）。
以上效率甚至还要被减少，由于这些数值相应于最佳条件，其中所有的辐射都被利用。而实际上常常不是这样，因为二氧化碳的浓度也是一个限制因素，辐射饱和进一步使量子产率和效率降低0.3。 太阳光强度的线性区域只是在非常低的强度范围内，当光强达到弱的太阳光强的1／5时就呈现了典型的饱和状态。其它因素如植物呼吸，这是光合作用的逆过程，也降低了效率，这些使得总体效率大约降为1%。（见表3）
表3效率降低的原因
损失原因 降低的效率
热力学因素 0.27
8量子产率需要
0.35
辐射饱和0.3
呼吸、光禁阻、反射、覆盖等
0.4
总体效率1%
（2）全世界太阳能动力适用的陆地
全世界范围内可用的陆地按其现状划分如表4所示。
表4世界范围的可用陆地
世界可用陆地公顷(/10亿)
已耕地 1.4
可耕地 3.0
森林4.4
沙漠1.7
岩石、干旱地区 2.6
总计 13
仅仅使用已耕地和可耕地， 全世界可获得的收益用可达到的效率1%、一个极低的效率0.2%和一个将来可能达到的效率5%分别表示如表5。
在效率1%时所需的占总面积11 %的可耕地不到目前我们食物生产所使用面积的1／3。
这些数据大大地促使我们去改进自然的或模拟的光合作用的效率。由油菜和向日葵籽得到的油是甘油和脂肪酸的酯，若要用作燃料，例如用于柴油发动机，则必须氢化，只利用烃部分。现在已经批量生产这种燃料了。
表5在不同效率时的全世界收益
效率5%效率1% 效率0.2%
太阳能(KW/公顷)100 20 4
产生10TW能量所100 500
2500
需面积(百万公顷)
需用陆地百分数 2.2
11 55
多方面的改进将使通过光合作用生产的柴油燃料可以与矿物油生产进行竞争。光化学和光合成研究面临着巨大的需求。
（3）在光合成化学方面的最新进展
植物光合作用的两个最初过程是光的捕获以及穿过膜的电子和光子的传递，从而导致水的氧化和二氧化碳的还原。研究这些过程的主要最新进展如下所述。
色素－蛋白质络合物（光捕获单元和反应中心）从光合成菌落和植物中分离，其结构通过映像电子显微镜、X －射线结晶图像仪和电子结晶图像仪来测定。最突出的例子是紫色细菌Rhodopseudomonas viridis反应中心的三维结构由Michel和Deisenhofer通过X－射线衍射测定结果为2.3×10[-10]m和由Kuhlbrandt等人通过电子衍射对绿色植物光系统2（ps2）的光捕获络合物结构测定其结果为3.4×10[-10]m。
能量传递理论，首先由Theidire Forster在其共振（库仑能）研究中得出传递形式并由Dexter扩展到包括交换相互作用，至今应用于大多数情况仍然是满意的。由Mareus发展的，也是基于Fermi Golden规则的电子传递理论与观察到的现象非常吻合。
这些基本光合成过程速率测定的全过程分成了数10 个毫微微秒（10[-15]）期（femtoseconds）。
一个有希望的前景是将这些络合物中蛋白质的氨基酸和核中的核酸进行排序，并且鉴定许多功能基因。在微生物学水平上， 经由重组DNA技术进入植物核的基因转移方法——这种方法有点落后于在细菌中的DNA重组技术——已进入了常规应用。其中许多技术现在已是研究生3年学习范围之内的内容，包括Tumifacien victor 的使用和后来掌握了广泛的基因种类转移前途的注射枪技术，例如从加利福尼亚海湾的月桂树引入遗传物质到油菜中，产生了月桂酸，这是制造肥皂和清洁剂的关键物质，常常从东南亚进口。在那里，月桂酸是从椰子或棕榈核油中萃取得到的。
可能至少在半个世纪以前，人们采用木材和其它原始的生物原料多于矿物燃料，现在他们必须面对自然资源逐渐减少和花费增加的处境。更经济地使用可更新油类燃料为期不远了。能源的变化可以在一个广泛的范围内迅速地发生。从能源90%来自木材到90%来自煤这一变更不到100年，而实现从煤到80%用油作燃料这一变化所需的时间将会更短。
甚至在发达的、有远见的国家，如日本，进行光化学研究也不是为商业获利，除非在不到10年的时间里有明确获利的可能性。然而，非经济因素也会卷入其中，如环境保护，某些国家无力支付进口和政府补贴，例如“谷种”，以启动本土工业。
这许多问题看来是将来一段时期的事情，但这是一件可能即将发生变革的大事，一种成功的产品可被复制繁衍，并且可迅速地在非常广泛的区域内推广。没有在大多数制造工业中存在的减慢发展速度的限制因素。
像化学家一样，到目前为止，光化学家利用Vitro 有机化学方法来合成由光合作用得到的天然产品，以便更廉价地得到它们并且可以调整其结构。未来，我们将对天然产物本身给予更多的注意，在遗传工程植物方面，将以更高的产率和更有效的方法来生产，这种方法的先决条件之一将是对发生在植物光合成阶段的原始光化学过程的更深的理解。
对我们来说，当设计光合成并真正自身进化，当高效、廉价、低耗、简便地制备我们所设计的产物变为可能的时候，我们可能就面临第二次绿色革命了。
[Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry102 (1996) 3-6, XVII
th
International
ConferenceonPhotochemistry.Imperial College Meeting.]