带着蓝藻去火星

2019-09-26那颜

百科探秘·海底世界 2019年12期

那颜

科学家曾做过预测，地球上的能源仅能维持人类生存300～500年，之后将进入能源匮乏时代。英国著名物理学家霍金生前也曾对全人类发出忠告：

“人类如果想繁衍下去，就必须移民火星或其他星球。”霍金之所以特别指出移民火星，是因为从现有科学技术的发展情况来看，火星是人类最有希望移民的星球。

首先，火星与地球之间的距离很近。美国航空航天局发射的火星探测器“洞察”号只用了不到7个月就顺利抵达火星。其次，火星与地球在某些方面相似——它们不仅表面都是坚固的岩石，还都被大气层包裹着。坚固的岩石表面可以供人类居住，而大气层相当于一层防弹衣，能保护人类不受陨石和宇宙射线的伤害。

当然，除了好消息，也有坏消息。火星大气中的氧气含量只有0.15%，二氧化碳含量则高达95.32%。很显然，人类无法在如此低氧的环境中生存。为了实现移民火星的愿望，美国航空航天局已经制订了一项新计划，即通过微生物来吸收二氧化碳并释放氧气，进而改变火星的大气组成成分，使其能满足人类及其他地球生物的生存需要。这种被科学家委以重任的微生物就是大名鼎鼎的——不，臭名昭著的蓝藻。

蓝藻：改造早期地球大气的大功臣

这些年来，蓝藻罪行累累，可谓罄竹难书。我们时常能从新闻报道中看到它的劣跡：“2007年5月29日，无锡太湖蓝藻大规模暴发，引发市区供水危机。”“2010年11月29日，云南昆明滇池蓝藻大量繁殖，造成严重污染。”“2016年，美国犹他州犹他湖暴发蓝藻，导致100多人中毒。”“2018年6月，太湖蓝藻再次暴发。人们发问，为何十年治理仍无法遏制太湖蓝藻暴发？”

蓝藻不仅会在淡水中肆虐，还会在海洋中肆虐。它会“勾搭”甲藻、硅藻等其他藻类，造成赤潮灾害。赤潮会导致鱼虾贝类等因缺氧而死，进而威胁到现代渔业的健康发展。

由于蓝藻总是扮演不光彩的角色，人们往往谈蓝藻色变，恨不得这家伙从地球上消失。但很少有人知道，给现代人带来诸多麻烦的蓝藻，其实是地球演化中最大的功臣。可以说，没有蓝藻就没有这颗人类赖以生存的蓝色星球。

早期的地球不仅经常受到小行星的撞击，自身的熔岩活动也非常剧烈。那时地球的大气主要由二氧化碳、二氧化硫、氨气、甲烷、氧气和氮气等组成。这一时期大气中虽然也存在氧气，但是含量极少。这些氧气是由二氧化碳通过电离分解产生的。

大约在35亿～33亿年前，地球上出现了蓝藻。蓝藻是通称，代表一类光合放氧微生物。它们以二氧化碳和水为食，“捕捉”太阳光，制造出氧气和有机物。这一过程就是大家很熟悉的光合作用。这一时期，地球上还出现了产甲烷菌。这是一类厌氧微生物，以金属镍为食，能制造甲烷。

科学家研究发现，如果大气中的甲烷浓度超过40%，那么甲烷就会与氧气发生反应，生成其他的物质。30多亿年前，蓝藻和产甲烷菌共同生活在地球上。蓝藻和产甲烷菌的关系颇有点儿“既生瑜何生亮”的感觉。由于蓝藻的数量远没有产甲烷菌那么多，蓝藻虽然已经很努力地工作，但制造的氧气还是不够用。在长达10亿年的漫长时光里，蓝藻都在为产甲烷菌“打白工”。氧气“一出生”就被甲烷消耗掉，根本无法提高大气中的氧气含量。

大约在25亿年前，这一情况才有所改变。当时地壳降温，可供食用的镍含量急剧减少，产甲烷菌的数量也随之减少。没有了甲烷这“捣蛋鬼”搞破坏，氧气长期供不应求的情况终于得以改善，地球大气中的氧气含量大幅提升。

之后的漫长岁月里，地球大气中的氧气含量经历了从低到高又到低的过程，最高时曾达到近40%。经过了这一系列的变化后，地球大气中的氧气含量稳定在了21%左右。这也是人类诞生并赖以生存的数值。

叶绿素f：让蓝藻变得更强大

蓝藻之所以能制造氧气从而改造地球的大气环境，是因为它能在体内进行光合作用。那么，为什么蓝藻能进行光合作用，与它同期存在的产甲烷菌却不能呢？答案是蓝藻体内藏着一种神秘物质。这种神秘物质也广泛存在于地球上的绿色植物体内。

一直以来，科学家不断尝试捕捉这种神秘物质。20世纪初，德国化学家韦尔斯泰特在经过10年的努力、耗费了成吨的绿叶后，终于依靠当时最先进的色层分离法，捕捉到了这种神秘物质。这种从绿叶中分离得到的绿色色素，被命名为“叶绿素”。2015年，韦尔斯泰特因为成功提取了叶绿素，荣获诺贝尔化学奖。

后来，科学家又发现叶绿素还可以分为叶绿素a和叶绿素b，它们广泛存在于绿色植物的叶片中。随着研究范围的不断扩大，科学家又从硅藻、甲藻和褐藻等藻类体内发现了叶绿素c。

德国化学家韦尔斯泰特

万物之所以会有颜色，是因为不同波长的可见光能使人眼产生不同的颜色感觉。其中波长为622-770纳米的光，在人眼看来是红色的。1996年之前，科学界一直认为光合作用存在“红色极限”，即光合作用会止步于波长为700纳米的光。1996年，科学家发现了叶绿素d。叶绿素d能吸收波长为710纳米的深红色光，使其参与光合作用。至此，“红色极限”终于被打破了。

2010年，悉尼大学的华人科学家陈敏博士，在西澳大利亚鲨鱼湾进行考察时，从藻青菌（一种普通的蓝藻）中发现了一种特殊的叶绿素。它比叶绿素d更强大，能吸收波长为760纳米的深红色光，这种叶绿素被命名为“叶绿素f”，成为叶绿素家族的新成员。在它之前，有日本科学家从海鞘中发现了叶绿素e。不过科学界对于叶绿素e一直有争议，所以这种叶绿素仍处于尚未被正名的状态。

华人科学家陈敏博士

随着对叶绿素f的研究展开，科学家发现它普遍存在于蓝藻的体内。正是因为有了叶绿素f，蓝藻才能在弱光环境中进行光合作用。火星的太阳常数是地球太阳常数的43%，也就是说火星上的日照条件比地球上的要差。在这种情况下，能在弱光条件下进行光合作用的蓝藻，无疑会更适合火星的环境。

名詞解释

太阳常数：在日地平均距离上，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积每秒钟所接受的太阳辐射能量。

超级链接

地下蓝藻：颠覆光合作用的真理

早在1864年，德国科学家萨克斯就做过一个著名的实验。他先将绿叶置于暗处几小时，消耗掉绿叶中已有的营养物质。之后，他又对这片绿叶进行了特殊处理：一半叶子曝光，另一半则遮光。如此一段时间后，再用碘蒸气处理这片绿叶。结果显示，遮光的那一半没发生变化，曝光的那一半则显示深蓝色。由于淀粉遇到碘会变成蓝色，该实验不但证明了绿叶在光合作用中会产生淀粉，也证明了没有光就没有光合作用。

长期以来，“没有光就没有光合作用”被人类奉为真理。就算大名鼎鼎的叶绿素f，也无法颠覆这一真理。近年来，该真理却遭受了考验。一支国际联合考察队在西班牙的力拓矿区，发现了一种完全不需要光的地下蓝藻。当时考察队为了研究远在地表深处的岩石样本，专门钻了一个深达613米的钻孔，谁知竟意外发现了生活在岩石气穴中的地下蓝藻。

深达600多米的地下，显然是不可能有阳光的。那么，这些地下蓝藻又是如何生存的呢？研究发现，在没有阳光和氧气的情况下，它们靠析出氢离子并吸收各种电子受体来生存。更让人惊讶的是，科学家在其他普通蓝藻的体内也曾发现过类似的电子传递系统。科学家推测，这可能是蓝藻的一种返祖现象，也就是说蓝藻的祖先可能存在非光合作用的生活方式。

西班牙的力拓矿区跟火星有着诸多相似之处：土地不但贫瘠而且富含铁和硫矿物，目之所及的风景都是红色。因此从理论上说，这些生活在力拓矿区的地下蓝藻，将更能适应火星上的严酷环境。

蓝藻人造叶片：迈出从理论到实践的关键一步

火星的大气主要是由二氧化碳（95.3%）、氮气（2.7%）、氩气（1.6%）、氧气（0.15%）和水汽（0.03%）组成的。不仅氧气含量与早期的地球相似，它还拥有光合作用所必需的二氧化碳和水汽。科学家信心满满地认为，可以将“蓝藻改造早期地球的大气成分”这个成功案例复制到火星上。

不过，火星的大气层很稀薄，无法保持温度，其表面的平均温度只有零下60摄氏度，在火星两极的冬季极夜，温度甚至可低至零下143摄氏度。被“娇生惯养”的地球蓝藻，是否能像它们的祖先那样经受住严苛环境的考验呢？为了让蓝藻更好地适应火星上的严酷环境，科学家不仅利用现代技术手段，精心挑选蓝藻中的精英品种，而且动用基因手段，对现有的蓝藻进行基因改造，制造出能够耐受极端环境的超级蓝藻。

蓝藻改变地球大气环境所用的时间是以亿年计算的。那么，用蓝藻来改变火星的大气环境又需要多少时间、多少蓝藻呢？就算顶尖的科学家也无法回答这个问题。不过，正所谓“千里之行始于足下”“不积跬步无以至千里”，蓝藻人造叶片的发明，已经迈出了从理论走向实践的关键一步。

人类想要在火星生存必须解决氧气和食物的供给问题，而蓝藻恰巧正是这两者的生产者。西北工业大学生态与环境保护研究中心的科学家，通过对蓝藻进行基因编辑，获得了可将细胞生产的蔗糖自动排到细胞外的蓝藻。实验表明，经过改造的蓝藻能够持续向细胞外产出蔗糖。蔗糖是一种安全的天然食品，能给人体提供热量（每克蔗糖能提供17千焦热量）。目前，每升蓝藻培养溶液可以产生1.1克蔗糖。这个数值代表着当前国际上同类工作的最高水平。研究中心的科学家认为，未来蔗糖的产量还能提高。

在此基础上，这些科学家发明了蓝藻人造叶片。这是一种以培养蓝藻为核心，类似太阳能电池板的装置。这种叶片装置能保护蓝藻不受太空辐射，避免极限温度、极度干燥等太空环境的伤害。叶片中的蓝藻，利用太空中的光照和叶片内不断循环的含二氧化碳的液体进行光合作用。光合作用所产生的蔗糖等有机物和氧气，会随着液体循环排出叶片，并被收集起来，为人类提供食物和氧气。