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植物使我们所知的生命成为可能。这一切都始于植物叶片内微小的细胞器，即叶绿体。这些叶绿体——最早的光合作用生物蓝细菌的衰退后代——利用入射的阳光分解水分子，然后将富含能量的碳和氢化合物结合在一起，这些化合物存在于从食物到化石燃料的一切物质中。剩余的“废物”是我们和所有动物王国赖以生存和繁荣的氧气。
但是叶绿体的效率不是很高。它们不能很好地吸收绿光（这就是为什么大多数植物看起来是绿色的）以及太阳的热量，也称为红外光。它们通常浪费的光照比它们利用的光照要多得多；光合作用最多只能利用大约 10% 的入射阳光。那么，为什么不给植物以及它们叶片光合作用机器中的叶绿体增强一下功能呢？
这正是化学工程师和生物化学家小组在一项新研究中尝试做的事情，他们将单壁碳纳米管——比人类头发还细微小的管子，也可以吸收阳光并将其转化为电子流——嵌入活的叶绿体中。该论文发表在 3 月 16 日的《自然·材料》杂志上。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
“长期以来，植物为我们提供了有价值的产品，如食物、生物燃料、建筑材料和我们呼吸的氧气，”植物生物学家、现已转行成为化学工程师的胡安·巴勃罗·吉拉尔多指出，他是麻省理工学院研究实验室的博士后研究员，完成了这项工作。“我们将它们设想为用于太阳能收集、自修复材料[和]污染物、杀虫剂、[和]真菌和细菌感染的化学探测器的新型混合生物材料。”
首先，研究人员从一些菠菜叶中提取了叶绿体，并将其放入糖溶液中。然后，研究人员引入了碳纳米管，当用 DNA 处理使其带负电荷或用壳聚糖（一种构成昆虫外骨骼的材料的衍生物）处理使其带正电荷时，碳纳米管会嵌入细胞的脂肪壁中。据研究人员称，这种渗透在几秒钟内发生，不需要热量、催化剂或任何其他东西。此举似乎也是不可逆转且彻底的。在这些实验中，没有纳米管残留在叶绿体外部漂浮。
更棒的是，这个技巧也适用于活植物中的叶绿体。引入的碳纳米管找到了拟南芥叶片中的叶绿体，拟南芥是一种在类似研究中经常使用的小型开花植物。也许更重要的是，在几周的时间里，它没有杀死叶片或植物。
如果纳米管可以用于将特定功能的 DNA 包裹物输送到叶绿体中，那么仅这一发现就可能被证明是有意义的。例如，研究人员使用纳米管将纳米尺寸的二氧化铈颗粒（一种由稀土金属铈和氧组成的化合物）输送到叶绿体中。然后，纳米二氧化铈似乎有助于去除光合作用过程中产生的一些氧气，这些氧气通常最终会破坏细胞机制。
但是碳纳米管本身也似乎以某种方式使光合作用变得更好，完全依靠自身。六小时后，含有碳纳米管的叶绿体的光合作用速率比未处理的叶绿体高出三倍，包括将阳光释放的电子传输增加 49%。吉拉尔多解释说：“我们已经证明，碳纳米管促进了叶绿体内部光能向电子转移的转化。” 然而，“它们是否会影响光合作用的最终产物尚不清楚，”这意味着对植物食物（如葡萄糖等糖类）的最终生产的影响仍然不明朗。
该技术在分离的叶绿体以及仍在叶片中的叶绿体中都有效，尽管确切的机制也尚不清楚。吉拉尔多和研究小组的其他成员认为，最可能的解释是碳纳米管吸收了更多的阳光并将电子提供给光合作用过程，或者纳米管可能正在加速光合作用过程中电子的转移。但要证明这一点还需要更多的工作。
纳米管还表明，它们可以用作传感器。带有纳米管的树叶在红外光下会发出荧光，但在一氧化氮（一种植物和污染中常见的化合物）存在的情况下会停止发光。吉拉尔多说，这种“仿生”植物可以用作“用于监测城市、农田、机场或高安全设施中的环境条件的生化探测器”，他指出，这种传感器也可以像植物一样自我修复。
最后，该研究表明，用碳纳米管增强的绿色植物有可能从阳光、空气和水中产生更多物质，尽管添加这种纳米材料既费力，也可能对整个植被以及环境产生未知的长期影响。昂贵的碳纳米管可能需要很长时间才能在土壤中找到归宿，以帮助提高农作物的产量，农作物会通过根部吸收它们。
与此同时，一个想法可能是将研究退后一步，看看碳纳米管是否对所有叶绿体的根源产生类似的影响：蓝细菌，吉拉尔多说。毕竟，如果纳米颗粒可以促进这些简单细胞生物中的光合作用，那么从藻类中提取的燃料、食物和其他产品可能会变得更可行。