生命的開(kāi)路先鋒藍(lán)細(xì)菌

陶飛

藍(lán)細(xì)菌是什么？

說(shuō)起藍(lán)細(xì)菌你也許會(huì)感覺(jué)到有點(diǎn)神秘，但是“日出江花紅勝火，春來(lái)江水綠如藍(lán)”這兩句詩(shī)，相信你一定是耳熟能詳。這首詩(shī)所描繪的正是我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢杂^察到的常見(jiàn)現(xiàn)象。每逢春天到來(lái)，江水會(huì)由冬天的清澈見(jiàn)底逐漸變成偏綠的顏色，孕育生機(jī)與活力。這一現(xiàn)象主要是由春天溫度升高促使藻類(lèi)在水里大量繁殖造成的，這些藻類(lèi)主要是藍(lán)細(xì)菌。它是一種單細(xì)胞的微生物，大小只有幾微米，有些藍(lán)細(xì)菌分裂后不分開(kāi)，可以形成絲狀。可是，千萬(wàn)不要小看這種小小的生物，我們呼吸的氧氣有30%都是它們制造的，它曾經(jīng)改變過(guò)地球，也將改變我們的生活，將來(lái)甚至有可能幫助我們把火星改造得適宜居住。

圖1 絲狀藍(lán)細(xì)菌顯微照片

藍(lán)細(xì)菌的歷史

在很久以前，地球并不是我們當(dāng)前所熟悉的樣子，或者說(shuō)和我們現(xiàn)在的環(huán)境是大相徑庭的。就以我們每天呼吸所必需的氧氣來(lái)說(shuō)，在遠(yuǎn)古的地球上是沒(méi)有的。這個(gè)無(wú)氧的狀況在地質(zhì)歷史上持續(xù)了20多億年，直到藍(lán)細(xì)菌的出現(xiàn)才得以改變。我們知道地球大概誕生在46億年前，目前發(fā)現(xiàn)最早的生命跡象的證據(jù)在43～37億年前，一開(kāi)始出現(xiàn)的生命是異養(yǎng)的，不能光合作用產(chǎn)生有機(jī)物，必須吃外來(lái)的有機(jī)物才能活下去。據(jù)科學(xué)家考證，藍(lán)細(xì)菌誕生的證據(jù)最早可以追溯到35億年。但是藍(lán)細(xì)菌并不是一出現(xiàn)就立馬改變了大氣環(huán)境，它還需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)化以適應(yīng)地球環(huán)境和大量繁殖。科學(xué)家推測(cè)空氣中氧氣的積累是兩方面的原因共同起作用，一方面由于藍(lán)細(xì)菌的大量繁殖造成氧氣生產(chǎn)速率加快，另一方面由于產(chǎn)甲烷菌的減少導(dǎo)致氧氣的消耗速率下降。這兩個(gè)原因共同導(dǎo)致了空氣中氧氣的大量積累，也就是大氧化事件的發(fā)生，時(shí)間大約在24億年前。空氣中氧氣含量的上升是動(dòng)物等高等生物出現(xiàn)的必要基礎(chǔ)。換言之，藍(lán)細(xì)菌對(duì)大氣環(huán)境的改造為后來(lái)多種多樣的需氧生物出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。從這個(gè)意義上說(shuō)，藍(lán)細(xì)菌是當(dāng)之無(wú)愧的生命先鋒。

藍(lán)細(xì)菌的分布

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)進(jìn)化中，藍(lán)細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出非常強(qiáng)大的適應(yīng)能力，不過(guò)這種適應(yīng)能力并不是說(shuō)隨意的一種藍(lán)細(xì)菌都可以適應(yīng)地球上各種各樣的不同環(huán)境，而是通過(guò)物種多樣性體現(xiàn)的。現(xiàn)在藍(lán)細(xì)菌幾乎分布在地球的每個(gè)角落和每一種特殊的環(huán)境中，比如海洋、淡水、潮濕的土壤、沙漠中臨時(shí)濕潤(rùn)的巖石、裸露的巖石和土壤，甚至于南極的巖石上。它們常常以浮游的形式存在于海洋和淡水的河流和湖泊中，或者很多藍(lán)細(xì)菌聚集在一起形成一層可以光合作用的光合菌膜存在于各種表面。我們可以在石內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)常看見(jiàn)它們的蹤跡，也能在地衣、植物、原生生物或者海綿中發(fā)現(xiàn)它們，它們可以為其宿主提供能量。我們甚至于可以發(fā)現(xiàn)有些藍(lán)細(xì)菌生活在動(dòng)物的皮毛中，比如樹(shù)懶的皮毛中就有大量藍(lán)細(xì)菌，這可以為樹(shù)懶提供保護(hù)性偽裝。

星際旅行和火星移民

相信了解了藍(lán)細(xì)菌的歷史和生存環(huán)境之后，你一定對(duì)藍(lán)細(xì)菌刮目相看了吧。我們不妨把視野放得再遠(yuǎn)一點(diǎn)，考慮一下人類(lèi)的未來(lái)和宇宙移民問(wèn)題。火星是離我們最近的類(lèi)地行星，有水，有大氣，但是卻沒(méi)有氧氣。火星大氣中超過(guò)95.3%都是二氧化碳，還有2.7%是氮?dú)狻Ｈ绻覀兡茉诨鹦桥囵B(yǎng)藍(lán)細(xì)菌，那就可以利用太陽(yáng)光、水、二氧化碳讓藍(lán)細(xì)菌生存并產(chǎn)生大量的氧氣。有科學(xué)家已經(jīng)成功地模擬火星環(huán)境進(jìn)行了藍(lán)細(xì)菌的培養(yǎng)，這證明了利用藍(lán)細(xì)菌改造火星大氣的可能性。當(dāng)然，真要在火星上種植藍(lán)細(xì)菌，還需要做很多的研究，但是我們不難想象，如果這一技術(shù)真的成功了，很快我們就能擁有另外一個(gè)地球了，那真是一件令人期待的事。

當(dāng)然了，如果你覺(jué)得改造星球這個(gè)工程太過(guò)浩大，其實(shí)我們也可以利用藍(lán)細(xì)菌做一些“小工程”。比如，在載人航天器中，宇航員呼吸所需的氧氣循環(huán)再生工程。現(xiàn)在，解決載人航天器的氧氣供給問(wèn)題的方法之一是直接從地球通過(guò)運(yùn)載火箭運(yùn)送，代價(jià)非常高昂，而且如果距離地球太遠(yuǎn)了，從地球輸送就根本不可能了。另外一種方法是用電解水來(lái)生產(chǎn)氧氣，這種方法會(huì)消耗大量的水，水在航空器中也是非常寶貴的，電解水產(chǎn)生的氫氣也無(wú)法利用只能丟棄在太空中。這兩種方法都不是循環(huán)再生的方法。我們都知道藍(lán)細(xì)菌可以通過(guò)消耗二氧化碳合成氧氣，同時(shí)還能夠合成有機(jī)物。如果我們對(duì)藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行合適的改造，就可以在密閉的航空器空間中構(gòu)建出藍(lán)細(xì)菌和宇航員形成的小型生態(tài)系統(tǒng)，它可以無(wú)限地自我循環(huán)，既能生產(chǎn)宇航員所需的氧氣，又可為宇航員提供高質(zhì)量的蛋白質(zhì)食品或者藥品。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)還需要對(duì)藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行很多的設(shè)計(jì)和改造，首要的是要大幅度提高藍(lán)細(xì)菌的效率。如果這一技術(shù)將來(lái)成功了，我們的天和號(hào)的運(yùn)營(yíng)成本就可以大幅度降低了。

未來(lái)食品

藍(lán)細(xì)菌這個(gè)古老又年輕的生命并不是只能用來(lái)改造火星和星際旅行，實(shí)際上它已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活。比如大家所熟知的螺旋藻就是藍(lán)細(xì)菌的一種。它是自然界營(yíng)養(yǎng)成分最豐富、最全面的生物，富含高質(zhì)量的蛋白質(zhì)、γ-亞麻酸等脂肪酸、類(lèi)胡蘿卜素、維生素，以及多種微量元素如鐵、碘、硒、鋅等，已經(jīng)成為一種重要的綠色營(yíng)養(yǎng)品。藍(lán)細(xì)菌直接利用二氧化碳和光能來(lái)合成有機(jī)物，用它來(lái)進(jìn)行食品的生產(chǎn)可以不受土地的限制，能在反應(yīng)器中進(jìn)行，幾乎可以放大到你能想到的任何規(guī)模。光能也可以用電能轉(zhuǎn)化而來(lái)，這樣就可以使食品的生產(chǎn)徹底地?cái)[脫對(duì)土地和氣候的依賴(lài)。我們還可以用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行改造，從而定制生產(chǎn)出我們需要的功能化和個(gè)性化的食品，比如可以為糖尿病人生產(chǎn)不含淀粉的食品等。用藍(lán)細(xì)菌作為基礎(chǔ)進(jìn)行食品生產(chǎn)將是未來(lái)食品生物技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠

當(dāng)然，藍(lán)細(xì)菌的現(xiàn)實(shí)用途絕不會(huì)僅是生產(chǎn)食品這一條。現(xiàn)在，藍(lán)細(xì)菌是一種非常熱門(mén)的底盤(pán)生物，科學(xué)家們可以對(duì)它進(jìn)行改造，讓它生產(chǎn)人們所需的各種各樣的有用物質(zhì)。比如可以通過(guò)改造藍(lán)細(xì)菌讓它生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，用于替代化石來(lái)源的汽油、柴油、航空煤油等。也可以用藍(lán)細(xì)菌來(lái)生產(chǎn)可降解塑料PHB等，用于替代石油化工合成的塑料。這種塑料性能優(yōu)良，避免了化石資源開(kāi)采使用的污染問(wèn)題，而且可以被微生物降解，不會(huì)形成白色污染。我們還可以用它來(lái)生產(chǎn)各種功能的蛋白質(zhì)、植物天然產(chǎn)物、藥物等高價(jià)值的產(chǎn)品。圖2顯示的是用藍(lán)細(xì)菌生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物的概念圖。我們通過(guò)對(duì)藍(lán)細(xì)菌的改造，僅使用陽(yáng)光和二氧化碳就能生產(chǎn)出各種各樣的植物天然產(chǎn)物。這些產(chǎn)物大都具有生物活性，有的是非常重要的藥物。用藍(lán)細(xì)菌生產(chǎn)這些產(chǎn)品，就可以免除對(duì)珍貴植物資源的開(kāi)采，節(jié)約大量用于藥材種植的土地。

圖2 藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠合成植物天然產(chǎn)物概念圖

環(huán)境治理

作為一種先鋒生命，改造和修復(fù)環(huán)境也是藍(lán)細(xì)菌擅長(zhǎng)的工作。環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)前人類(lèi)面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。可以說(shuō)沒(méi)有好的環(huán)境，人類(lèi)的健康就無(wú)從談起。高效的環(huán)境處理技術(shù)是建立健康環(huán)境的關(guān)鍵。藍(lán)細(xì)菌的適應(yīng)能力、代謝能力和一些獨(dú)特性質(zhì)為我們提供了開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的可能性。比如，藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞外面常常會(huì)有一層黏黏的多糖類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)是吸附重金屬的絕好材料。因此，已經(jīng)有很多科學(xué)家嘗試用藍(lán)細(xì)菌來(lái)處理重金屬污染，特別是放射性金屬的污染。也有不少科學(xué)家嘗試用藍(lán)細(xì)菌來(lái)處理石油污染和殺蟲(chóng)劑污染等。用藍(lán)細(xì)菌開(kāi)發(fā)的修復(fù)劑的主要成分是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞，它本身就來(lái)自于自然界，不會(huì)像化學(xué)藥劑一樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，具有環(huán)境友好、成本低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是潛力巨大的下一代修復(fù)技術(shù)。可以預(yù)期，隨著研究的深入和新技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)藍(lán)細(xì)菌一定會(huì)帶給我們一個(gè)更加健康優(yōu)美的環(huán)境。