如何将植物内部改造成电路来发电

Can we better harness the power of living plants today?Image: Pixabay
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植物为地球上的生命提供能量。它们是最初的食物来源,为几乎所有生物供能,也是化石燃料的基础,而化石燃料满足着现代世界的电力需求。然而,燃烧早已消亡的森林遗存,正以危险的方式改变世界。如今,我们能否更好地利用活体植物的力量?

一种可能的途径,是把植物变成天然太阳能发电站,更高效地将阳光转化为能量。为此,我们需要找到一种方法,以电能的形式提取这些能量。 一家公司找到了一种方法,可以收集植物沉积在其下方土壤中的电子。但 芬兰的一项新研究探讨如何将植物内部结构改造成电路,直接利用植物的能量。

植物体内有充满水的管道,称为“木质部导管分子”,负责将水从根部输送到叶片。水流还会携带并输送溶解的营养物质及化学信号等其他物质。这些芬兰研究人员的研究成果发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS);他们研发了一种化学物质,将其注入一段玫瑰枝条,使之形成能够传导和储存电能的固体材料。

此前的实验曾使用一种名为PEDOT的化学物质,在木质部中形成导电线,但它无法进一步渗入植物内部。在这项新研究中,研究人员设计了一种名为ETE-S的分子,它能形成类似的导电体,还能随木质部中的水流输送到水流所及之处。

这种水流由水分子之间的吸引力驱动。叶片中的水蒸发时,会牵动留下的分子链,将水从根部一路向上拉过整株植物。你可以自己做个实验:把一段植物枝条放进食用色素中,观察颜色沿木质部向上移动。研究人员的方法与这个食用色素实验非常相似,因此他们可以根据颜色看出导电体在植物中到达了哪里。

最终形成了一个复杂的电子网络,遍布叶片和花瓣,包围细胞并复现其分布模式。由此形成的导线导电能力最高可达PEDOT导线的100倍,也能像一种称为电容器的电子元件那样储存电能。

连研究人员自己也对这些导电网络形成得如此完善感到惊讶。这似乎是因为玫瑰经过ETE-S处理后,会产生与它们用来杀灭入侵微生物相同的活性化学物质。与实验室测试时相比,这些化学物质让固体导电体在植物内部更容易形成。

这项发现要充分发挥潜力,仍面临一些挑战。也许最重要的是,研究人员需要找到一种方法,将ETE-S(或进一步改良的化学物质)导入完整的活体植物。不过,制造“电子植物”——也就是集成了电子电路的植物——如今已显得近在眼前。

那么,电子植物可以如何应用?最令人振奋的可能性是,我们能够将电子植物的电能储存和电路与直接利用光合作用能量的方式结合起来,创造真正绿色的能源。

不过,这项技术也有助于我们更好地了解普通植物。植物不像动物那样有神经系统,但它们确实会利用电信号来控制单个细胞,也用来在植物的不同部位之间传递信息。这方面最引人注目的例子或许是捕蝇草,它的捕捉机制由电脉冲触发。

在植物体内构建电路,能让我们更容易监听这些信息。或许,当我们更了解植物的“语言”后,就能向植物发送指令。例如,如果知道植物有患病风险,就启动它的防御系统。

或许我们可以创造像机器一样运作的电子植物。如果作物能告诉我们自己是缺水、缺肥,还是正遭受虫害,我们就可以把资源调配到最需要的地方,提高农业效率。也许有一天,你甚至可以用这项技术调节花朵的香气,让它与你的心情相配。

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