那顏

科學(xué)家曾做過(guò)預(yù)測(cè)，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(guó)著名物理學(xué)家霍金生前也曾對(duì)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(lái)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(guó)航空航天局發(fā)射的火星探測(cè)器“洞察”號(hào)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(wú)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(guó)航空航天局已經(jīng)制訂了一項(xiàng)新計(jì)劃，即通過(guò)微生物來(lái)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(lái)，藍(lán)藻罪行累累，可謂罄竹難書(shū)。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(wú)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(guó)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(wèn)，為何十年治理仍無(wú)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(yú)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(lái)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(shuō)，沒(méi)有藍(lán)藻就沒(méi)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(guò)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(yáng)光，制造出氧氣和有機(jī)物。這一過(guò)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(guò)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(jué)。由于藍(lán)藻的數(shù)量遠(yuǎn)沒(méi)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(zhǎng)達(dá)10億年的漫長(zhǎng)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(wú)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(méi)有了甲烷這“搗蛋鬼”搞破壞，氧氣長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程，最高時(shí)曾達(dá)到近40%。經(jīng)過(guò)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(lái)，科學(xué)家不斷嘗試捕捉這種神秘物質(zhì)。20世紀(jì)初，德國(guó)化學(xué)家韋爾斯泰特在經(jīng)過(guò)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(lái)，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(guó)化學(xué)家韋爾斯泰特

萬(wàn)物之所以會(huì)有顏色，是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的可見(jiàn)光能使人眼產(chǎn)生不同的顏色感覺(jué)。其中波長(zhǎng)為622-770納米的光，在人眼看來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yú)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(zhǎng)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(guò)科學(xué)界對(duì)于葉綠素e一直有爭(zhēng)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(duì)葉綠素f的研究展開(kāi)，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?yáng)常數(shù)是地球太陽(yáng)常數(shù)的43%，也就是說(shuō)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(wú)疑會(huì)更適合火星的環(huán)境。

名詞解釋

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

超級(jí)鏈接

地下藍(lán)藻：顛覆光合作用的真理

早在1864年，德國(guó)科學(xué)家薩克斯就做過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。之后，他又對(duì)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(méi)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(méi)有光就沒(méi)有光合作用。

長(zhǎng)期以來(lái)，“沒(méi)有光就沒(méi)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(wú)法顛覆這一真理。近年來(lái)，該真理卻遭受了考驗(yàn)。一支國(guó)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(shuí)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(yáng)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(méi)有陽(yáng)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(lái)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(guò)類似的電子傳遞系統(tǒng)?？茖W(xué)家推測(cè)，這可能是藍(lán)藻的一種返祖現(xiàn)象，也就是說(shuō)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(shuō)，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。科學(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(guò)，火星的大氣層很稀薄，無(wú)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(duì)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(jí)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(lái)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(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題。不過(guò)，正所謂“千里之行始于足下”“不積跬步無(wú)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(wèn)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(guò)對(duì)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(guò)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(guó)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(lái)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(yáng)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(lái)，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(guò)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(lè)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(lái)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(lái)，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(guò)程將會(huì)變得簡(jiǎn)單且易行。人類只要像放置太陽(yáng)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(shí)鏈接

目前，國(guó)際空間站上已經(jīng)開(kāi)展了藍(lán)藻實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家通過(guò)一個(gè)微型溫室來(lái)測(cè)試這些藍(lán)藻能否順利生長(zhǎng)，同時(shí)觀測(cè)宇宙射線和太陽(yáng)輻射會(huì)給藍(lán)藻帶來(lái)怎樣的威脅。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，對(duì)“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。