帶著藍藻去火星

那顏

科學家曾做過預測，地球上的能源僅能維持人類生存300～500年，之后將進入能源匱乏時代。英國著名物理學家霍金生前也曾對全人類發出忠告：

“人類如果想繁衍下去，就必須移民火星或其他星球。”霍金之所以特別指出移民火星，是因為從現有科學技術的發展情況來看，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。美國航空航天局發射的火星探測器“洞察”號只用了不到7個月就順利抵達火星。其次，火星與地球在某些方面相似——它們不僅表面都是堅固的巖石，還都被大氣層包裹著。堅固的巖石表面可以供人類居住，而大氣層相當于一層防彈衣，能保護人類不受隕石和宇宙射線的傷害。

當然，除了好消息，也有壞消息。火星大氣中的氧氣含量只有0.15%，二氧化碳含量則高達95.32%。很顯然，人類無法在如此低氧的環境中生存。為了實現移民火星的愿望，美國航空航天局已經制訂了一項新計劃，即通過微生物來吸收二氧化碳并釋放氧氣，進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。這種被科學家委以重任的微生物就是大名鼎鼎的——不，臭名昭著的藍藻。

藍藻：改造早期地球大氣的大功臣

這些年來，藍藻罪行累累，可謂罄竹難書。我們時常能從新聞報道中看到它的劣跡：“2007年5月29日，無錫太湖藍藻大規模暴發，引發市區供水危機。”“2010年11月29日，云南昆明滇池藍藻大量繁殖，造成嚴重污染。”“2016年，美國猶他州猶他湖暴發藍藻，導致100多人中毒。”“2018年6月，太湖藍藻再次暴發。人們發問，為何十年治理仍無法遏制太湖藍藻暴發？”

藍藻不僅會在淡水中肆虐，還會在海洋中肆虐。它會“勾搭”甲藻、硅藻等其他藻類，造成赤潮災害。赤潮會導致魚蝦貝類等因缺氧而死，進而威脅到現代漁業的健康發展。

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

早期的地球不僅經常受到小行星的撞擊，自身的熔巖活動也非常劇烈。那時地球的大氣主要由二氧化碳、二氧化硫、氨氣、甲烷、氧氣和氮氣等組成。這一時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生的。

大約在35億～33億年前，地球上出現了藍藻。藍藻是通稱，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，制造出氧氣和有機物。這一過程就是大家很熟悉的光合作用。這一時期，地球上還出現了產甲烷菌。這是一類厭氧微生物，以金屬鎳為食，能制造甲烷。

科學家研究發現，如果大氣中的甲烷濃度超過40%，那么甲烷就會與氧氣發生反應，生成其他的物質。30多億年前，藍藻和產甲烷菌共同生活在地球上。藍藻和產甲烷菌的關系頗有點兒“既生瑜何生亮”的感覺。由于藍藻的數量遠沒有產甲烷菌那么多，藍藻雖然已經很努力地工作，但制造的氧氣還是不夠用。在長達10億年的漫長時光里，藍藻都在為產甲烷菌“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。當時地殼降溫，可供食用的鎳含量急劇減少，產甲烷菌的數量也隨之減少。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歷了從低到高又到低的過程，最高時曾達到近40%。經過了這一系列的變化后，地球大氣中的氧氣含量穩定在了21%左右。這也是人類誕生并賴以生存的數值。

葉綠素f：讓藍藻變得更強大

藍藻之所以能制造氧氣從而改造地球的大氣環境，是因為它能在體內進行光合作用。那么，為什么藍藻能進行光合作用，與它同期存在的產甲烷菌卻不能呢？答案是藍藻體內藏著一種神秘物質。這種神秘物質也廣泛存在于地球上的綠色植物體內。

一直以來，科學家不斷嘗試捕捉這種神秘物質。20世紀初，德國化學家韋爾斯泰特在經過10年的努力、耗費了成噸的綠葉后，終于依靠當時最先進的色層分離法，捕捉到了這種神秘物質。這種從綠葉中分離得到的綠色色素，被命名為“葉綠素”。2015年，韋爾斯泰特因為成功提取了葉綠素，榮獲諾貝爾化學獎。

后來，科學家又發現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大，科學家又從硅藻、甲藻和褐藻等藻類體內發現了葉綠素c。

德國化學家韋爾斯泰特

萬物之所以會有顏色，是因為不同波長的可見光能使人眼產生不同的顏色感覺。其中波長為622-770納米的光，在人眼看來是紅色的。1996年之前，科學界一直認為光合作用存在“紅色極限”，即光合作用會止步于波長為700納米的光。1996年，科學家發現了葉綠素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，悉尼大學的華人科學家陳敏博士，在西澳大利亞鯊魚灣進行考察時，從藻青菌（一種普通的藍藻）中發現了一種特殊的葉綠素。它比葉綠素d更強大，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，有日本科學家從海鞘中發現了葉綠素e。不過科學界對于葉綠素e一直有爭議，所以這種葉綠素仍處于尚未被正名的狀態。

華人科學家陳敏博士

隨著對葉綠素f的研究展開，科學家發現它普遍存在于藍藻的體內。正是因為有了葉綠素f，藍藻才能在弱光環境中進行光合作用。火星的太陽常數是地球太陽常數的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，能在弱光條件下進行光合作用的藍藻，無疑會更適合火星的環境。

名詞解釋

太陽常數：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

地下藍藻：顛覆光合作用的真理

早在1864年，德國科學家薩克斯就做過一個著名的實驗。他先將綠葉置于暗處幾小時，消耗掉綠葉中已有的營養物質。之后，他又對這片綠葉進行了特殊處理：一半葉子曝光，另一半則遮光。如此一段時間后，再用碘蒸氣處理這片綠葉。結果顯示，遮光的那一半沒發生變化，曝光的那一半則顯示深藍色。由于淀粉遇到碘會變成藍色，該實驗不但證明了綠葉在光合作用中會產生淀粉，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。一支國際聯合考察隊在西班牙的力拓礦區，發現了一種完全不需要光的地下藍藻。當時考察隊為了研究遠在地表深處的巖石樣本，專門鉆了一個深達613米的鉆孔，誰知竟意外發現了生活在巖石氣穴中的地下藍藻。

深達600多米的地下，顯然是不可能有陽光的。那么，這些地下藍藻又是如何生存的呢？研究發現，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，科學家在其他普通藍藻的體內也曾發現過類似的電子傳遞系統。科學家推測，這可能是藍藻的一種返祖現象，也就是說藍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，目之所及的風景都是紅色。因此從理論上說，這些生活在力拓礦區的地下藍藻，將更能適應火星上的嚴酷環境。

藍藻人造葉片：邁出從理論到實踐的關鍵一步

火星的大氣主要是由二氧化碳（95.3%）、氮氣（2.7%）、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。科學家信心滿滿地認為，可以將“藍藻改造早期地球的大氣成分”這個成功案例復制到火星上。

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”的地球藍藻，是否能像它們的祖先那樣經受住嚴苛環境的考驗呢？為了讓藍藻更好地適應火星上的嚴酷環境，科學家不僅利用現代技術手段，精心挑選藍藻中的精英品種，而且動用基因手段，對現有的藍藻進行基因改造，制造出能夠耐受極端環境的超級藍藻。

藍藻改變地球大氣環境所用的時間是以億年計算的。那么，用藍藻來改變火星的大氣環境又需要多少時間、多少藍藻呢？就算頂尖的科學家也無法回答這個問題。不過，正所謂“千里之行始于足下”“不積跬步無以至千里”，藍藻人造葉片的發明，已經邁出了從理論走向實踐的關鍵一步。

人類想要在火星生存必須解決氧氣和食物的供給問題，而藍藻恰巧正是這兩者的生產者。西北工業大學生態與環境保護研究中心的科學家，通過對藍藻進行基因編輯，獲得了可將細胞生產的蔗糖自動排到細胞外的藍藻。實驗表明，經過改造的藍藻能夠持續向細胞外產出蔗糖。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，每升藍藻培養溶液可以產生1.1克蔗糖。這個數值代表著當前國際上同類工作的最高水平。研究中心的科學家認為，未來蔗糖的產量還能提高。

在此基礎上，這些科學家發明了藍藻人造葉片。這是一種以培養藍藻為核心，類似太陽能電池板的裝置。這種葉片裝置能保護藍藻不受太空輻射，避免極限溫度、極度干燥等太空環境的傷害。葉片中的藍藻，利用太空中的光照和葉片內不斷循環的含二氧化碳的液體進行光合作用。光合作用所產生的蔗糖等有機物和氧氣，會隨著液體循環排出葉片，并被收集起來，為人類提供食物和氧氣。

該項目的研究者還計劃以藍藻人造葉片為核心，建立一個廢物處理循環系統，使廢水、廢氣經過藍藻處理后，成為可被使用的生活用水和新鮮空氣，從而形成一個完全自給自足的太空生存系統。他們樂觀地認為，假如藍藻的產糖量能夠得到進一步提高，未來人類在太空旅行時只需要背著一個背包大小的裝置，就能獲得氧氣和食物了。

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

知識鏈接

目前，國際空間站上已經開展了藍藻實驗。科學家通過一個微型溫室來測試這些藍藻能否順利生長，同時觀測宇宙射線和太陽輻射會給藍藻帶來怎樣的威脅。這項實驗的進行，對“利用藍藻改變火星大氣”這一計劃具有重要意義。假如實驗順利，人類離“帶著藍藻移民火星”這一美好愿景的實現將更近一步。