生物混合物助力人類在火星生存

嚴(yán)毅梅

人類如果希望定居火星，就需要在火星上制造大量有機(jī)化合物。從地球上運(yùn)送燃料、藥物等有機(jī)化合物到火星上，一是很難運(yùn)過去，二是費(fèi)用太昂貴了。在火星上，96%的大氣是二氧化碳，沒有氧氣，但是那里有陽光和水，尤其水在極地冰蓋中相對(duì)豐富，而且火星大部分地區(qū)的地下都可能凍結(jié)著大量的水。這給在火星上制造有機(jī)化合物提供了可能性。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。在過去的8年里，研究人員一直致力于研究一種混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將細(xì)菌和硅半導(dǎo)體納米線結(jié)合在一起，可以捕捉陽光的能量，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)分子的基本成分。這一過程能生成氧氣，氧氣在火星上可以補(bǔ)充人工大氣，模擬地球的氧氣環(huán)境。這種納米線只有人類頭發(fā)直徑的百分之一。

對(duì)于深空探究任務(wù)，人們關(guān)心的是有效載荷的質(zhì)量，而生物系統(tǒng)既有自我繁殖的優(yōu)勢(shì)，又不需要依靠火箭發(fā)送很多東西。這就是生物混合研究吸引大量科研人員的主要原因。撇開星際移民（定居火星）的考慮，這套系統(tǒng)也可以幫助地球解決能源短缺和二氧化碳排放導(dǎo)致的全球變暖問題。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)菌與納米線相結(jié)合，可使3. 6%的太陽能轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在碳鍵的碳原子中，并以乙酸鹽形式存在。

從燃料、塑料到藥物，它們都離不開乙酸鹽這種有機(jī)分子。

這個(gè)系統(tǒng)的工作原理類似于光合作用，植物能自然地將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成碳水化合物——糖。

在這方面，它非常接近最善于將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖的植物——甘蔗，甘蔗的轉(zhuǎn)換效率為4%～5%。因此，研究人員也稱這套系統(tǒng)為“人工光合作用”系統(tǒng)。

5年前，研究人員曾推出初級(jí)版的納米線一細(xì)菌混合反應(yīng)器，其太陽能轉(zhuǎn)換效率只有0. 4%左右，這與常見的硅太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率20%或更多的典型效率相比，顯然很低。如今他們推出了更高效的2.0版，效率大幅度提升。

研究人員最初試圖通過在納米線上填充更多細(xì)菌來提高效率，納米線直接將電子傳遞給細(xì)菌進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。但是他們發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)菌在產(chǎn)生乙酸的過程中，會(huì)降低周圍溶液的酸度（pH值）.造成細(xì)菌與納米線分離。

研究人員最終找到了一種方法，讓溶液的酸度稍微高一些，以抵消持續(xù)產(chǎn)生乙酸所導(dǎo)致的pH值的變化。這使得他們能夠?qū)⒏嗉?xì)菌塞進(jìn)納米線，將效率提高近10倍。

在這個(gè)特別的實(shí)驗(yàn)中，納米線只被用作導(dǎo)電導(dǎo)線，而不是太陽能吸收器。外部的太陽能板提供了能量。然而，在真實(shí)世界的系統(tǒng)中，納米線會(huì)吸收光線，產(chǎn)生電子，并將它們輸送給粘在納米線上的細(xì)菌。就像植物制造糖一樣，細(xì)菌吸收電子，將二氧化碳分子和水轉(zhuǎn)化成乙酸鹽和氧氣。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了新的調(diào)整，例如，在細(xì)菌自身的薄膜中嵌入量子點(diǎn)，作為太陽能電池板，吸收陽光，并消除了對(duì)納米線的需求。這些電子細(xì)菌也能制造乙酸。

研究人員將繼續(xù)探索基因工程技術(shù)，使細(xì)菌更多才多藝，能夠產(chǎn)生多種有機(jī)化合物，以滿足未來人類在火星上生存的需要。