以綠之名改天換地

張田勘

植物托起全世界

人和動物不吃食物會餓死，但是，只有極少的植物是可以進食的，原因在于兩者感知世界和聯系萬物的生存方式迥然不同。植物的生存方式可以概括為，自己生存也幫助和支撐萬物生存，因此，不論動物世界如何進化，托起和創造了整個自然和人類社會的還得靠植物。

植物、海藻和藍細菌等是自營生物，就是通過自身內部的生命機理和生化機制產生能量供自身消費，而且產生的能量還能供應其他動物，如供給人類水稻、小麥，供給動物以各類果實和樹葉等。這一切又是由植物的葉綠體通過光合作用產生的，而光合作用又產生于植物細胞的特殊結構。

植物細胞有細胞壁，動物沒有；大部分植物細胞有葉綠體，大部分動物沒有；植物細胞有個大的液泡，動物細胞只有小液泡……正是有了這些結構，植物可以通過光合作用將無機物轉化成有機物，因為葉綠體能利用太陽的光能，與二氧化碳和水產生反應，制造有機物質如葡萄糖并釋放氧氣，這個過程就稱為光合作用。

動物的生存與植物剛好相反，動物是異營生物，要從外界攝取營養物質，經過消化，分解成小分子物質被細胞吸收，在細胞內進一步降解后轉移到線粒體內，經過一系列酶催化的氧化還原反應，產生二氧化碳和水，并釋放能量。

正因為如此，綠色植物養活了動物和全世界。首先是，人類和動物吃的食物和果實都是經過光合作用產生的。光合作用利用無機物生產有機物并且貯存能量，能量轉換效率約為6%。通過食用，人和動物這些食物鏈的消費者可以吸收植物所貯存的能量，效率為10%左右。所以，植物是食物鏈的生產者。

在植物界，有像豬籠草這樣可以吃肉的異類，在動物界，也有細胞里含有葉綠體的，如綠葉海蛞蝓。它在幼年時期食用藻類，將葉綠體貯存在細胞內，或者是攝取藻類部分基因，使自身也能產生葉綠體，并通過修補葉綠體的損傷，延長葉綠體的壽命。當它成年后，就會停止進食，依靠葉綠體提供能量，給自己養老送終。

再造自然

既然光合作用和葉綠體有如此大的神通，可不可以創造人造葉綠體來生產和轉化人類所需要的有機物呢？經過千百年的探索，科學家終于給出了肯定的回答。

目前，明確做出這種回答的是德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的厄爾布教授和法國波爾多大學的馬雷特教授的團隊。他們在2020年5月的《科學》雜志上發表了一項研究成果，即一種自動化人造葉綠體組裝平臺，可以根據人們的需求制造出不同的人造葉綠體，甚至可以根據人類的需求，合成各種不同的有機物，如食物、藥物、燃料等。

葉綠體是植物完成光合作用的主要場所，過程分為兩個階段，光反應階段與暗反應階段。光反應在葉綠體的類囊體膜結構發生，利用二氧化碳與水在光照條件下為暗反應提供必需物質；暗反應則發生在葉綠體基質中，利用光反應產物可生成葡萄糖，同時完成碳的固定，在向生物供給能量的同時，也將無機物轉變成有機物。因此，這是一種同時實現光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等步驟的生物化學反應，也是植物自然演化出的重要生存能力和策略。

厄爾布團隊的人造葉綠體在2016年就取得了初步成果。當時，厄爾布等人在德國馬克斯？普朗克陸地生物研究所研發了一種人工碳固定裝置，通過一系列自然和工程化酶，把二氧化碳轉化為有機分子，而且這個反應程序比天然植物固定碳的效率更高。不僅如此，他們另一項突破是，研發了人工葉綠體組裝平臺，可以自動生產人工葉綠體，同時根據人們的需求添加不同的酶來制備不同功能的人工葉綠體。

顯然，這是一種一半天然，一半合成的人造葉綠體。這種人造葉綠體，可以成功還原光合作用的全過程。更重要的是，全新的組裝平臺生產的人造葉綠體，它們可以彼此獨立運行，只要隨意改造這些人工葉綠體，就能滿足不同的需求，生產出人們所需要的種種有機物。

改造火星的先遣部隊

不過，這種半自然和半人造的人造葉綠體運行還不是太穩定，因為人造葉綠體中的葉綠體膜運轉幾個小時就會降解，使得人造葉綠體的使用受到限制。而且，要從菠菜中提取的葉綠體膜比較耗時，因此，下一個目標是研發人造葉綠體膜來取代菠菜的葉綠體膜，形成真正意義上的完全的人造葉綠體。

即便如此，這種半自然半人造的葉綠體也體現了潛在的巨大價值，因為可以通過添加一些特殊的蛋白質和酶來維持這個系統的穩定。當這種人造葉綠體能持續運轉時，首先可以吸收和固化現在全球因使用化石燃料排放到自然中的大量的二氧化碳，從而放緩全球氣候變暖，甚至扭轉全球變暖的不利局面。換句話說，人造葉綠體可以幫助實現“碳中和”，也稱為二氧化碳凈零排放，是指在全球范圍的一定時期內，人為二氧化碳移除抵消人為二氧化碳排放。

厄爾布團隊證明，他們研發的人造葉綠體吸收二氧化碳的速度，比之前合成生物學的方法快了100倍，甚至比自然綠色植物吸收和固化二氧化碳的速度快。自然界的光合作用是地球上最主要的二氧化碳固定方法，植物、可光合作用的微生物通過光合作用從大氣中吸收二氧化碳的速率，與通過生物的呼吸作用把二氧化碳釋放到大氣中的速率基本相等，因此大氣中二氧化碳的含量在受到人類活動干擾以前是基本穩定的。

不過，自從工業革命以來，化石燃料的大量使用使得二氧化碳的生成量估計每年增加4.8%，因此大氣中二氧化碳濃度逐漸升高，破壞了自然界原有的碳平衡，并導致氣候異常。但是隨著化石燃料的消耗量激增，自然界的光合作用已經無法及時將過多的二氧化碳固定，人工固碳將成為解決碳排放的一條出路。

如果厄爾布團隊研發的人造葉綠體能批量生產并在化石燃料使用較多的國家廣泛布置，哪怕是等同于自然綠色植物的碳吸收和固化速度，也會幫助人類實現碳中和。一方面，燃燒化石燃料是產生“碳源”，而森林、泥炭沼澤、土壤等能夠吸收儲存空氣中的二氧化碳，也即“碳匯”。人造葉綠體能夠吸收和固化一部分二氧化碳，也是碳匯的一部分，因此可以為緩減全球變暖做貢獻。

不僅于此，如果打開腦洞，人造葉綠體甚至可以改造整個星球。

在移民火星計劃上，特斯拉CEO馬斯克是認真的，他愿意將自己一半的財富用于在火星上建造城市，“以確保生命的延續，以防地球受到恐龍襲擊、世界大戰或流星撞擊等導致的人類毀滅。”

但是，火星上的主要氣體是二氧化碳，并不適宜人類居住，為此必須改造火星環境。一個可能的計劃是，在火星上綠化，通過綠色植物產生大量的氧氣供移民火星的人呼吸。而普通植物，顯然不能適應改造初期的火星，此時如果把人造葉綠體帶上火星，并用人工手段加強其生存能力，讓它成為改造火星的先遣部隊，這樣一來，人類在火星生存所需的空氣和食物就都解決了，移民火星也不再是件難事。