第一代火星移民可能是這種"返祖"生物 誰(shuí)讓人家能吃

來(lái)源：科學(xué)大院 發(fā)布時(shí)間：2019-06-05瀏覽：3311次

第一代火星移民可能是這種"返祖"生物 誰(shuí)讓人家能吃

　　6月5日是“世界環(huán)境日”，“低碳生活”當(dāng)然是今天的主題，不過(guò)，除了呼吁人們?cè)谌粘Ｉ钪袦p排，科學(xué)家們還做了更多的嘗試，比如，讓一種微藻逆向進(jìn)化，吃掉CO2！

　　CO2：環(huán)境變化的重要推手

　　自1972年6月5日聯(lián)合國(guó)的第一次人類環(huán)境會(huì)議以來(lái)，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到世界的關(guān)注。

　　北極圈永久凍土的不斷消融，骨瘦嶙峋的北極熊，即將消失的馬爾代夫，逐漸酸化的海洋……這些環(huán)境惡化的初步表象都隱藏著難以估計(jì)的后果，而在全球環(huán)境變化中二氧化碳（CO2）扮演著舉足輕重的角色。

　　近日，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）莫納羅亞氣象臺(tái)的傳感器監(jiān)測(cè)到一個(gè)驚人數(shù)據(jù)，大氣中的CO2濃度已經(jīng)達(dá)到415.26 ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)革命前的280 ppm。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）數(shù)據(jù)也顯示大氣中的CO2含量自工業(yè)革命以來(lái)發(fā)生了顯著的提高。

　　作為主要的溫室氣體，CO2含量的激增將導(dǎo)致全球氣候變化和海洋酸化等重大環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。因此，如何減少大氣中CO2含量成為了控制環(huán)境惡化的重點(diǎn)之一。

　　微藻：陽(yáng)光下的“吃”碳主力

　　在自然界中，CO2的消耗主要通過(guò)光合作用完成。然而，受土地面積的限制，樹(shù)木等陸生高等植物只能緩慢吸收大氣中的CO2，其消納CO2的總量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類生產(chǎn)活動(dòng)的排放量。NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，雖然過(guò)去二十年地球綠化面積持續(xù)增加，然而全球氣候變暖的腳步卻沒(méi)有變緩。 

　　小知識(shí)：地球上綠葉的豐度以闊葉植物的單側(cè)葉面積和針葉植物總針葉面積的二分之一來(lái)衡量。年平均綠葉豐度/植被面積代表年平均葉面積指數(shù)。綠變 （棕色）代表某一地點(diǎn)在數(shù)年內(nèi)的年平均綠葉面積在統(tǒng)計(jì)上顯著增加（減少）。如上圖，全球1/3的植被面積變的更綠了，而5%的植被面積變灰了，這意味著每 十年葉面積凈增加2.3%。

　　微藻是一類古老的，在陸地、海洋廣泛分布的最低等植物，其光合利用度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同等重量的大型高等植物。它可以直接利用陽(yáng)光和水將CO2轉(zhuǎn)變成營(yíng)養(yǎng)品（如人體不可缺少的EPA、DHA，維生素，抗氧化劑，色素等食品添加劑）或者生物燃料（如柴油）。

　　雖然微藻個(gè)體形態(tài)微小，但是以微藻為代表的海洋浮游植物每年消耗的CO2占全球CO2固定量的40%，是當(dāng)之無(wú)愧的地球固碳“主力軍”。研究表明，每噸微藻生物約可固定2噸CO2，且微藻培養(yǎng)過(guò)程可對(duì)點(diǎn)源排放的CO2（如火電廠、水泥廠等排放的工業(yè)廢氣）進(jìn)行利用。

　　逆轉(zhuǎn)進(jìn)化的時(shí)鐘 吃掉更多CO2

　　微藻的化石可以追溯到幾十億年前的前寒武紀(jì)時(shí)期。那時(shí)候的地球大氣主要成分是CO2，氧氣含量極低（還不足現(xiàn)在氧水平的1‰）。微藻的存在為早期的地球提供了能源和氧氣。

　　隨著時(shí)代的變遷，地球大氣中的CO2濃度直線下降，而為了適應(yīng)當(dāng)前低CO2的環(huán)境，微藻進(jìn)化出了一套碳濃縮機(jī)制（CCM），簡(jiǎn)單來(lái)講，就是一種提高局部CO2的方法。

　　光合作用中的固碳過(guò)程主要通過(guò)卡爾文循環(huán)（光合碳循環(huán)）實(shí)現(xiàn)。在微藻中存在一種蛋白酶，即RuBisCO。在光合作用過(guò)程中，RuBisCO能 夠?qū)O2固定入卡爾文循環(huán)中并最終轉(zhuǎn)換為有機(jī)物（三碳糖）。通過(guò)CCM，CO2分子能夠更多的聚集在RuBisCO周圍，從而提高了RuBisCO活性 位點(diǎn)周圍CO2濃度，最終使微藻能夠在低碳環(huán)境下進(jìn)行光合作用。

　　這就產(chǎn)生一個(gè)有趣的疑問(wèn)，如果我們抑制或破壞微藻的CCM，是否會(huì)使微藻恢復(fù)原始在高CO2環(huán)境下進(jìn)行光合作用的能力？是否能吃掉更多的CO2？

　　近期，青島能源所單細(xì)胞中心和德國(guó)魯爾大學(xué)（波鴻）的研究人員們?cè)谖M球藻（Nannochloropsis spp。）中 證實(shí)了這個(gè)猜想。微擬球藻是一種單細(xì)胞藻類，具有生長(zhǎng)速度快、CO2耐受能力強(qiáng)、海水淡水均可培養(yǎng)、遺傳操作較完善等突出優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的生物柴油生產(chǎn) 藻種。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)基因工程手段大幅度降低微擬球藻中一個(gè)與CCM相關(guān)之關(guān)鍵碳酸酐酶的活性（即抑制CCM）時(shí)，工程藻株在高CO2（5%濃度） 環(huán)境下的生物質(zhì)產(chǎn)量提高30%以上，而在空氣濃度的CO2環(huán)境下則喪失了生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。

　　也就是說(shuō)，微擬球藻體內(nèi)在高濃度CO2下“吃”CO2的原始能力被重新激發(fā)了?；謴?fù)原始能力的微擬球藻能更好地利用工業(yè)煙道氣中高濃度的 CO2，完成生物柴油和食用油脂的轉(zhuǎn)化，并釋放O2。因此，基于這一“逆進(jìn)化”的思路改造現(xiàn)有的植物和藻類，將有助于高碳濃度下的CO2固定，從而為緩解 溫室效應(yīng)提供一個(gè)新思路。（相關(guān)論文Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO2 level ，閱讀請(qǐng)戳“閱讀原文”）

　　未來(lái)：或成火星移民新希望

　　火星是除金星外距離地球最近的行星，它是最有希望實(shí)現(xiàn)載人登陸的地外行星，因此作為人類未來(lái)移民的首選，火星很可能在未來(lái)成為人類的第二故鄉(xiāng)?；鹦谴髿庵?5%是CO2，氧氣含量極低，對(duì)于火星大氣的改造是人類登陸火星的前提。

　　返祖的微藻，能夠適應(yīng)較高濃度的CO2環(huán)境，同時(shí)生產(chǎn)氧氣以及油脂，因此，或許可作為第一代火星移民，肩負(fù)改造火星大氣組成的重任。