第一代火星移民可能是這種“返祖”生物 誰讓人家能吃呢

文章來自“科學大院”公眾號

作者：劉陽

6月5日是“世界環境日”，“低碳生活”當然是今天的主題，不過，除了呼籲人們在日常生活中減排，科學家們還做了更多的嘗試，比如，讓一種微藻逆向進化，吃掉CO?！

（圖片來源：veer圖庫）

CO?：環境變化的重要推手

自1972年6月5日聯合國的第一次人類環境會議以來，環境問題越來越受到世界的關注。

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

近日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）莫納羅亞天氣台的傳感器監測到一個驚人數據，大氣中的CO?濃度已經達到415.26 ppm，遠遠高於工業革命前的280 ppm。美國國家航空航天局（NASA）數據也顯示大氣中的CO?含量自工業革命以來發生了顯著的提高。

作為主要的溫室氣體，CO?含量的激增將導致全球氣候變化和海洋酸化等重大環境和社會問題。因此，如何減少大氣中CO?含量成為了控制環境惡化的重點之一。

圖片來源：NASA（https://climate.nasa.gov/evidence/）

微藻：陽光下的“吃”碳主力

在自然界中，CO?的消耗主要通過光合作用完成。然而，受土地面積的限制，樹木等陸生高等植物只能緩慢吸收大氣中的CO?，其消納CO?的總量遠遠低於人類生產活動的排放量。NASA衛星數據顯示，雖然過去二十年地球綠化面積持續增加，然而全球氣候變暖的腳步卻沒有變緩。

年平均葉面積指數趨勢（10??m? / m? / 10年）（圖片來源：Nature）

小知識：地球上綠葉的豐度以闊葉植物的單側葉面積和針葉植物總針葉面積的二分之一來衡量。年平均綠葉豐度/植被面積代表年平均葉面積指數。綠變（棕色）代表某一地點在數年內的年平均綠葉面積在統計上顯著增加（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淨增加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，其光合利用度遠遠超過同等重量的大型高等植物。它可以直接利用陽光和水將CO?轉變成營養品（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）。

雖然微藻個體形態微小，但是以微藻為代表的海洋浮遊植物每年消耗的CO?佔全球CO?固定量的40%，是當之無愧的地球固碳“主力軍”。研究表明，每噸微藻生物約可固定2噸CO?，且微藻培養過程可對點源排放的CO?（如火電廠、水泥廠等排放的工業廢氣）進行利用。

微藻的形態 （圖片來源：www.bioindustry.cn）

微藻固碳示意圖 （圖片來源：中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心）

逆轉進化的時鐘 吃掉更多CO?

微藻的化石可以追溯到幾十億年前的前寒武紀時期。那時候的地球大氣主要成分是CO?，氧氣含量極低（還不足現在氧水準的1‰）。微藻的存在為早期的地球提供了能源和氧氣。

隨著時代的變遷，地球大氣中的CO?濃度直線下降，而為了適應當前低CO?的環境，微藻進化出了一套碳濃縮機制（CCM），簡單來講，就是一種提高局部CO?的方法。

CCM機制圖 （圖片來源：中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心）

光合作用中的固碳過程主要通過卡爾文循環（光合碳循環）實現。在微藻中存在一種蛋白酶，即RuBisCO。在光合作用過程中，RuBisCO能夠將CO2固定入卡爾文循環中並最終轉換為有機物（三碳糖）。通過CCM，CO?分子能夠更多的聚集在RuBisCO周圍，從而提高了RuBisCO活性位點周圍CO?濃度，最終使微藻能夠在低碳環境下進行光合作用。

這就產生一個有趣的疑問，如果我們抑製或破壞微藻的CCM，是否會使微藻恢復原始在高CO?環境下進行光合作用的能力？是否能吃掉更多的CO?？

近期，青島能源所單細胞中心和德國魯爾大學（波鴻）的研究人員們在微擬球藻（Nannochloropsis spp.）中證實了這個猜想。微擬球藻是一種單細胞藻類，具有生長速度快、CO?耐受能力強、海水淡水均可培養、遺傳操作較完善等突出優點，是一種優良的生物柴油生產藻種。研究人員發現，當通過基因工程手段大幅度降低微擬球藻中一個與CCM相關之關鍵碳酸酐酶的活性（即抑製CCM）時，工程藻株在高CO?（5%濃度）環境下的生物質產量提高30%以上，而在空氣濃度的CO?環境下則喪失了生長優勢。

野生菌株和改造藻株在高CO?（5%濃度）環境下生物質產量（WT：野生菌株；M2和M4改造藻株）（圖片來源：中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心）

也就是說，微擬球藻體內在高濃度CO?下“吃”CO?的原始能力被重新激發了。恢復原始能力的微擬球藻能更好地利用工業煙道氣中高濃度的CO?，完成生物柴油和食用油脂的轉化，並釋放O?。因此，基於這一“逆進化”的思路改造現有的植物和藻類，將有助於高碳濃度下的CO?固定，從而為緩解溫室效應提供一個新思路。（相關論文Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO? level ）

微擬球藻逆進化調控機制圖（圖片來源：中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心）

未來：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，它是最有希望實現載人登陸的地外行星，因此作為人類未來移民的首選，火星很可能在未來成為人類的第二故鄉。火星大氣中95%是CO?，氧氣含量極低，對於火星大氣的改造是人類登陸火星的前提。

（圖片來源：NASA）

返祖的微藻，能夠適應較高濃度的CO?環境，同時生產氧氣以及油脂，因此，或許可作為第一代火星移民，肩負改造火星大氣組成的重任。

參考文獻:

1. Chen, C., et al., China and India lead in greening of the world through land-use management. Nature Sustainability, 2019. 2(2): p. 122.

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3. Wei, L., et al., Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO? level. Metabolic Engineering, 2019. 54: p. 96-108.

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5. 李延河, et al., 前寒武紀條帶狀矽鐵建造的形成機制與地球早期的大氣和海洋. 地質學報, 2010. 84(9): p. 1359-1373.

作者部門：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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