帶著藍(lán)藻去火星

那顏

科學(xué)家曾做過預(yù)測，地球上的能源僅能維持人類生存300～500年，之后將進(jìn)入能源匱乏時(shí)代。英國著名物理學(xué)家霍金生前也曾對全人類發(fā)出忠告：

“人類如果想繁衍下去，就必須移民火星或其他星球?！被艚鹬蕴貏e指出移民火星，是因?yàn)閺默F(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展情況來看，火星是人類最有希望移民的星球。

首先，火星與地球之間的距離很近。美國航空航天局發(fā)射的火星探測器“洞察”號只用了不到7個(gè)月就順利抵達(dá)火星。其次，火星與地球在某些方面相似——它們不僅表面都是堅(jiān)固的巖石，還都被大氣層包裹著。堅(jiān)固的巖石表面可以供人類居住，而大氣層相當(dāng)于一層防彈衣，能保護(hù)人類不受隕石和宇宙射線的傷害。

當(dāng)然，除了好消息，也有壞消息?；鹦谴髿庵械难鯕夂恐挥?.15%，二氧化碳含量則高達(dá)95.32%。很顯然，人類無法在如此低氧的環(huán)境中生存。為了實(shí)現(xiàn)移民火星的愿望，美國航空航天局已經(jīng)制訂了一項(xiàng)新計(jì)劃，即通過微生物來吸收二氧化碳并釋放氧氣，進(jìn)而改變火星的大氣組成成分，使其能滿足人類及其他地球生物的生存需要。這種被科學(xué)家委以重任的微生物就是大名鼎鼎的——不，臭名昭著的藍(lán)藻。

藍(lán)藻：改造早期地球大氣的大功臣

這些年來，藍(lán)藻罪行累累，可謂罄竹難書。我們時(shí)常能從新聞報(bào)道中看到它的劣跡：“2007年5月29日，無錫太湖藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)，引發(fā)市區(qū)供水危機(jī)?！薄?010年11月29日，云南昆明滇池藍(lán)藻大量繁殖，造成嚴(yán)重污染?！薄?016年，美國猶他州猶他湖暴發(fā)藍(lán)藻，導(dǎo)致100多人中毒?！薄?018年6月，太湖藍(lán)藻再次暴發(fā)。人們發(fā)問，為何十年治理仍無法遏制太湖藍(lán)藻暴發(fā)？”

藍(lán)藻不僅會(huì)在淡水中肆虐，還會(huì)在海洋中肆虐。它會(huì)“勾搭”甲藻、硅藻等其他藻類，造成赤潮災(zāi)害。赤潮會(huì)導(dǎo)致魚蝦貝類等因缺氧而死，進(jìn)而威脅到現(xiàn)代漁業(yè)的健康發(fā)展。

由于藍(lán)藻總是扮演不光彩的角色，人們往往談藍(lán)藻色變，恨不得這家伙從地球上消失。但很少有人知道，給現(xiàn)代人帶來諸多麻煩的藍(lán)藻，其實(shí)是地球演化中最大的功臣?？梢哉f，沒有藍(lán)藻就沒有這顆人類賴以生存的藍(lán)色星球。

早期的地球不僅經(jīng)常受到小行星的撞擊，自身的熔巖活動(dòng)也非常劇烈。那時(shí)地球的大氣主要由二氧化碳、二氧化硫、氨氣、甲烷、氧氣和氮?dú)獾冉M成。這一時(shí)期大氣中雖然也存在氧氣，但是含量極少。這些氧氣是由二氧化碳通過電離分解產(chǎn)生的。

大約在35億～33億年前，地球上出現(xiàn)了藍(lán)藻。藍(lán)藻是通稱，代表一類光合放氧微生物。它們以二氧化碳和水為食，“捕捉”太陽光，制造出氧氣和有機(jī)物。這一過程就是大家很熟悉的光合作用。這一時(shí)期，地球上還出現(xiàn)了產(chǎn)甲烷菌。這是一類厭氧微生物，以金屬鎳為食，能制造甲烷。

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，如果大氣中的甲烷濃度超過40%，那么甲烷就會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成其他的物質(zhì)。30多億年前，藍(lán)藻和產(chǎn)甲烷菌共同生活在地球上。藍(lán)藻和產(chǎn)甲烷菌的關(guān)系頗有點(diǎn)兒“既生瑜何生亮”的感覺。由于藍(lán)藻的數(shù)量遠(yuǎn)沒有產(chǎn)甲烷菌那么多，藍(lán)藻雖然已經(jīng)很努力地工作，但制造的氧氣還是不夠用。在長達(dá)10億年的漫長時(shí)光里，藍(lán)藻都在為產(chǎn)甲烷菌“打白工”。氧氣“一出生”就被甲烷消耗掉，根本無法提高大氣中的氧氣含量。

大約在25億年前，這一情況才有所改變。當(dāng)時(shí)地殼降溫，可供食用的鎳含量急劇減少，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量也隨之減少。沒有了甲烷這“搗蛋鬼”搞破壞，氧氣長期供不應(yīng)求的情況終于得以改善，地球大氣中的氧氣含量大幅提升。

之后的漫長歲月里，地球大氣中的氧氣含量經(jīng)歷了從低到高又到低的過程，最高時(shí)曾達(dá)到近40%。經(jīng)過了這一系列的變化后，地球大氣中的氧氣含量穩(wěn)定在了21%左右。這也是人類誕生并賴以生存的數(shù)值。

葉綠素f：讓藍(lán)藻變得更強(qiáng)大

藍(lán)藻之所以能制造氧氣從而改造地球的大氣環(huán)境，是因?yàn)樗茉隗w內(nèi)進(jìn)行光合作用。那么，為什么藍(lán)藻能進(jìn)行光合作用，與它同期存在的產(chǎn)甲烷菌卻不能呢？答案是藍(lán)藻體內(nèi)藏著一種神秘物質(zhì)。這種神秘物質(zhì)也廣泛存在于地球上的綠色植物體內(nèi)。

一直以來，科學(xué)家不斷嘗試捕捉這種神秘物質(zhì)。20世紀(jì)初，德國化學(xué)家韋爾斯泰特在經(jīng)過10年的努力、耗費(fèi)了成噸的綠葉后，終于依靠當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的色層分離法，捕捉到了這種神秘物質(zhì)。這種從綠葉中分離得到的綠色色素，被命名為“葉綠素”。2015年，韋爾斯泰特因?yàn)槌晒μ崛×巳~綠素，榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

后來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)葉綠素還可以分為葉綠素a和葉綠素b，它們廣泛存在于綠色植物的葉片中。隨著研究范圍的不斷擴(kuò)大，科學(xué)家又從硅藻、甲藻和褐藻等藻類體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了葉綠素c。

德國化學(xué)家韋爾斯泰特

萬物之所以會(huì)有顏色，是因?yàn)椴煌ㄩL的可見光能使人眼產(chǎn)生不同的顏色感覺。其中波長為622-770納米的光，在人眼看來是紅色的。1996年之前，科學(xué)界一直認(rèn)為光合作用存在“紅色極限”，即光合作用會(huì)止步于波長為700納米的光。1996年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了葉綠素d。葉綠素d能吸收波長為710納米的深紅色光，使其參與光合作用。至此，“紅色極限”終于被打破了。

2010年，悉尼大學(xué)的華人科學(xué)家陳敏博士，在西澳大利亞鯊魚灣進(jìn)行考察時(shí)，從藻青菌（一種普通的藍(lán)藻）中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的葉綠素。它比葉綠素d更強(qiáng)大，能吸收波長為760納米的深紅色光，這種葉綠素被命名為“葉綠素f”，成為葉綠素家族的新成員。在它之前，有日本科學(xué)家從海鞘中發(fā)現(xiàn)了葉綠素e。不過科學(xué)界對于葉綠素e一直有爭議，所以這種葉綠素仍處于尚未被正名的狀態(tài)。

華人科學(xué)家陳敏博士

隨著對葉綠素f的研究展開，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它普遍存在于藍(lán)藻的體內(nèi)。正是因?yàn)橛辛巳~綠素f，藍(lán)藻才能在弱光環(huán)境中進(jìn)行光合作用?；鹦堑奶柍?shù)是地球太陽常數(shù)的43%，也就是說火星上的日照條件比地球上的要差。在這種情況下，能在弱光條件下進(jìn)行光合作用的藍(lán)藻，無疑會(huì)更適合火星的環(huán)境。

名詞解釋

太陽常數(shù)：在日地平均距離上，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積每秒鐘所接受的太陽輻射能量。

超級鏈接

地下藍(lán)藻：顛覆光合作用的真理

早在1864年，德國科學(xué)家薩克斯就做過一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。他先將綠葉置于暗處幾小時(shí)，消耗掉綠葉中已有的營養(yǎng)物質(zhì)。之后，他又對這片綠葉進(jìn)行了特殊處理：一半葉子曝光，另一半則遮光。如此一段時(shí)間后，再用碘蒸氣處理這片綠葉。結(jié)果顯示，遮光的那一半沒發(fā)生變化，曝光的那一半則顯示深藍(lán)色。由于淀粉遇到碘會(huì)變成藍(lán)色，該實(shí)驗(yàn)不但證明了綠葉在光合作用中會(huì)產(chǎn)生淀粉，也證明了沒有光就沒有光合作用。

長期以來，“沒有光就沒有光合作用”被人類奉為真理。就算大名鼎鼎的葉綠素f，也無法顛覆這一真理。近年來，該真理卻遭受了考驗(yàn)。一支國際聯(lián)合考察隊(duì)在西班牙的力拓礦區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一種完全不需要光的地下藍(lán)藻。當(dāng)時(shí)考察隊(duì)為了研究遠(yuǎn)在地表深處的巖石樣本，專門鉆了一個(gè)深達(dá)613米的鉆孔，誰知竟意外發(fā)現(xiàn)了生活在巖石氣穴中的地下藍(lán)藻。

深達(dá)600多米的地下，顯然是不可能有陽光的。那么，這些地下藍(lán)藻又是如何生存的呢？研究發(fā)現(xiàn)，在沒有陽光和氧氣的情況下，它們靠析出氫離子并吸收各種電子受體來生存。更讓人驚訝的是，科學(xué)家在其他普通藍(lán)藻的體內(nèi)也曾發(fā)現(xiàn)過類似的電子傳遞系統(tǒng)?？茖W(xué)家推測，這可能是藍(lán)藻的一種返祖現(xiàn)象，也就是說藍(lán)藻的祖先可能存在非光合作用的生活方式。

西班牙的力拓礦區(qū)跟火星有著諸多相似之處：土地不但貧瘠而且富含鐵和硫礦物，目之所及的風(fēng)景都是紅色。因此從理論上說，這些生活在力拓礦區(qū)的地下藍(lán)藻，將更能適應(yīng)火星上的嚴(yán)酷環(huán)境。

藍(lán)藻人造葉片：邁出從理論到實(shí)踐的關(guān)鍵一步

火星的大氣主要是由二氧化碳（95.3%）、氮?dú)猓?.7%）、氬氣（1.6%）、氧氣（0.15%）和水汽（0.03%）組成的。不僅氧氣含量與早期的地球相似，它還擁有光合作用所必需的二氧化碳和水汽?？茖W(xué)家信心滿滿地認(rèn)為，可以將“藍(lán)藻改造早期地球的大氣成分”這個(gè)成功案例復(fù)制到火星上。

不過，火星的大氣層很稀薄，無法保持溫度，其表面的平均溫度只有零下60攝氏度，在火星兩極的冬季極夜，溫度甚至可低至零下143攝氏度。被“嬌生慣養(yǎng)”的地球藍(lán)藻，是否能像它們的祖先那樣經(jīng)受住嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)?zāi)?？為了讓藍(lán)藻更好地適應(yīng)火星上的嚴(yán)酷環(huán)境，科學(xué)家不僅利用現(xiàn)代技術(shù)手段，精心挑選藍(lán)藻中的精英品種，而且動(dòng)用基因手段，對現(xiàn)有的藍(lán)藻進(jìn)行基因改造，制造出能夠耐受極端環(huán)境的超級藍(lán)藻。

藍(lán)藻改變地球大氣環(huán)境所用的時(shí)間是以億年計(jì)算的。那么，用藍(lán)藻來改變火星的大氣環(huán)境又需要多少時(shí)間、多少藍(lán)藻呢？就算頂尖的科學(xué)家也無法回答這個(gè)問題。不過，正所謂“千里之行始于足下”“不積跬步無以至千里”，藍(lán)藻人造葉片的發(fā)明，已經(jīng)邁出了從理論走向?qū)嵺`的關(guān)鍵一步。

人類想要在火星生存必須解決氧氣和食物的供給問題，而藍(lán)藻恰巧正是這兩者的生產(chǎn)者。西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究中心的科學(xué)家，通過對藍(lán)藻進(jìn)行基因編輯，獲得了可將細(xì)胞生產(chǎn)的蔗糖自動(dòng)排到細(xì)胞外的藍(lán)藻。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過改造的藍(lán)藻能夠持續(xù)向細(xì)胞外產(chǎn)出蔗糖。蔗糖是一種安全的天然食品，能給人體提供熱量（每克蔗糖能提供17千焦熱量）。目前，每升藍(lán)藻培養(yǎng)溶液可以產(chǎn)生1.1克蔗糖。這個(gè)數(shù)值代表著當(dāng)前國際上同類工作的最高水平。研究中心的科學(xué)家認(rèn)為，未來蔗糖的產(chǎn)量還能提高。

在此基礎(chǔ)上，這些科學(xué)家發(fā)明了藍(lán)藻人造葉片。這是一種以培養(yǎng)藍(lán)藻為核心，類似太陽能電池板的裝置。這種葉片裝置能保護(hù)藍(lán)藻不受太空輻射，避免極限溫度、極度干燥等太空環(huán)境的傷害。葉片中的藍(lán)藻，利用太空中的光照和葉片內(nèi)不斷循環(huán)的含二氧化碳的液體進(jìn)行光合作用。光合作用所產(chǎn)生的蔗糖等有機(jī)物和氧氣，會(huì)隨著液體循環(huán)排出葉片，并被收集起來，為人類提供食物和氧氣。

該項(xiàng)目的研究者還計(jì)劃以藍(lán)藻人造葉片為核心，建立一個(gè)廢物處理循環(huán)系統(tǒng)，使廢水、廢氣經(jīng)過藍(lán)藻處理后，成為可被使用的生活用水和新鮮空氣，從而形成一個(gè)完全自給自足的太空生存系統(tǒng)。他們樂觀地認(rèn)為，假如藍(lán)藻的產(chǎn)糖量能夠得到進(jìn)一步提高，未來人類在太空旅行時(shí)只需要背著一個(gè)背包大小的裝置，就能獲得氧氣和食物了。

在該項(xiàng)目的研究者看來，想要構(gòu)建類似地球的自然界生態(tài)系統(tǒng)非常困難，而制造藍(lán)藻人造葉片不僅容易得多，還更具有可行性。一旦這項(xiàng)制造技術(shù)成熟，人類改造火星的過程將會(huì)變得簡單且易行。人類只要像放置太陽能電池板那樣，將藍(lán)藻人造葉片放置在火星表面就行了。

知識鏈接

目前，國際空間站上已經(jīng)開展了藍(lán)藻實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家通過一個(gè)微型溫室來測試這些藍(lán)藻能否順利生長，同時(shí)觀測宇宙射線和太陽輻射會(huì)給藍(lán)藻帶來怎樣的威脅。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，對“利用藍(lán)藻改變火星大氣”這一計(jì)劃具有重要意義。假如實(shí)驗(yàn)順利，人類離“帶著藍(lán)藻移民火星”這一美好愿景的實(shí)現(xiàn)將更近一步。