生物混合物助力人類在火星生存

嚴毅梅

人類如果希望定居火星，就需要在火星上制造大量有機化合物。從地球上運送燃料、藥物等有機化合物到火星上，一是很難運過去，二是費用太昂貴了。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豐富，而且火星大部分地區的地下都可能凍結著大量的水。這給在火星上制造有機化合物提供了可能性。

美國加州大學伯克利分校的研究人員對此進行了長時間的研究。在過去的8年里，研究人員一直致力于研究一種混合系統，該系統將細菌和硅半導體納米線結合在一起，可以捕捉陽光的能量，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分。這一過程能生成氧氣，氧氣在火星上可以補充人工大氣，模擬地球的氧氣環境。這種納米線只有人類頭發直徑的百分之一。

對于深空探究任務，人們關心的是有效載荷的質量，而生物系統既有自我繁殖的優勢，又不需要依靠火箭發送很多東西。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，這套系統也可以幫助地球解決能源短缺和二氧化碳排放導致的全球變暖問題。

研究人員發現，這些細菌與納米線相結合，可使3. 6%的太陽能轉換并存儲在碳鍵的碳原子中，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分子。

這個系統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化為糖的植物——甘蔗，甘蔗的轉換效率為4%～5%。因此，研究人員也稱這套系統為“人工光合作用”系統。

5年前，研究人員曾推出初級版的納米線一細菌混合反應器，其太陽能轉換效率只有0. 4%左右，這與常見的硅太陽能電池板轉換效率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菌來提高效率，納米線直接將電子傳遞給細菌進行化學反應。但是他們發現，這些細菌在產生乙酸的過程中，會降低周圍溶液的酸度（pH值）.造成細菌與納米線分離。

研究人員最終找到了一種方法，讓溶液的酸度稍微高一些，以抵消持續產生乙酸所導致的pH值的變化。這使得他們能夠將更多細菌塞進納米線，將效率提高近10倍。

在這個特別的實驗中，納米線只被用作導電導線，而不是太陽能吸收器。外部的太陽能板提供了能量。然而，在真實世界的系統中，納米線會吸收光線，產生電子，并將它們輸送給粘在納米線上的細菌。就像植物制造糖一樣，細菌吸收電子，將二氧化碳分子和水轉化成乙酸鹽和氧氣。

現在，研究人員已經對系統進行了新的調整，例如，在細菌自身的薄膜中嵌入量子點，作為太陽能電池板，吸收陽光，并消除了對納米線的需求。這些電子細菌也能制造乙酸。

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