藍藻人造葉片系統讓人類移民火星成為可能

科研團隊探索永無止境。西北工業(yè)大學供圖

人造葉片工作示意圖。西北工業(yè)大學供圖

探索浩瀚宇宙，是全人類的共同夢想。前不久，科幻電影《流浪地球》的“爆紅”，再次激起人們對太空探索的興趣。然而，面對深空探索，人類始終面臨一個重要難題——如何在浩瀚的太空中，為宇航員或太空旅客、移民者提供一個長期、穩(wěn)定的生命保障系統?

近日，在西北工業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境保護研究中心的合成生物學實驗室，研究出可以向細胞外分泌蔗糖的藍藻。據了解，以此為核心打造的藍藻人造葉片系統，可以構建類似地球的生態(tài)環(huán)境，從而為解決人類探索太空時的生存難題提供一個嶄新的思路。

什么是藍藻?——它是目前地球上唯一已知的、能產生氧氣的光合自養(yǎng)型微生物，也是地球上最原始的微生物之一。藍藻具有比植物更加高效的光合作用，是地球上綠色光合植物的祖先，地球富含的氧氣主要是藍藻的貢獻。同時，藍藻又具有極強的生命力，目前，人類已在深海溫泉和莫哈韋沙漠內部的巖石中，發(fā)現有藍藻的生長。

“可以利用藍藻這兩大特點，在太空極端環(huán)境下，把二氧化碳和水還原成人類必需的碳水化合物和氧氣。”合成生物學實驗室王文教授告訴記者：目前，該實驗室已初步建立了完備、成熟的各種藍藻培養(yǎng)體系，并成功實現了藍藻的外源DNA轉化技術，建立的藍藻基因編輯體系為構建藍藻人造葉片提供了有力技術支持。

“通過對藍藻進行基因編輯，我們成功獲得了可以將細胞生產的蔗糖自動排到細胞外的藍藻。”實驗發(fā)現，隨著藍藻的持續(xù)培養(yǎng)，野生型藍藻基本沒有變化，而實驗組藍藻卻持續(xù)地向細胞外產出蔗糖，細胞外培養(yǎng)溶液里蔗糖濃度累計能達到1.1G/L以上。

“也就是說，每升培養(yǎng)溶液可以產生1.1克蔗糖，而且這個生產過程是持續(xù)不斷的。”王文教授表示，這已達到了目前國際上同類工作的最高水平，而且這一特性有望進一步改造完善，大幅度提高產量。

利用這樣的特性，科學家們進一步鎖定了研究的新方向：設計藍藻人造葉片——一種以培養(yǎng)藍藻為核心的、類似太陽能板的裝置。

“在太空中，這種裝置保護藍藻不受太空輻射，以及極限溫度、極度干燥等太空環(huán)境的傷害。”同時，還可以有效利用太空中的光照和裝置里不斷循環(huán)的含二氧化碳的液體，給藍藻一個適宜生長繁衍的培養(yǎng)環(huán)境。

改造過的藍藻，將不斷分泌蔗糖等碳水化合物以及氧氣。隨著循環(huán)水流，這些能量物質和氧氣被排到裝置外收集起來，成為人類需要的食物等能源物質。

“有了碳水化合物，就可以改造別的工程菌，生產出氨基酸、維生素、能源、藥物、各種化工材料等。”王文教授進一步介紹：以人造葉片為核心，同時建立一個廢物處理循環(huán)系統，使廢水、廢氣經過藍藻處理變成可再利用的生活用水和新鮮空氣，從而形成一個完全自產自足的太空生存系統。

據介紹，經過億萬年進化，地球才形成了適宜人類生存的環(huán)境。要模仿構建類似地球、如此復雜的自然界生態(tài)系統，在小尺度上是難以保持長時間自主循環(huán)運行的。“但如果把藍藻大幅度改造，做成人造葉片，可操作性比構建一個生態(tài)系統要容易得多”。

從嚴格意義上講，基于藍藻開發(fā)的人造葉片裝置不是生態(tài)系統，而是人為可控的裝置，“它在未來太空探索和太空移民初始階段具有方便、高效的優(yōu)越性。”這種利用合成生物學，以藍藻為核心開發(fā)的能量生產、廢物處理、環(huán)境改造等多功能的人造葉片裝置，對于我國航天科技和太空探索領域的發(fā)展具有重大創(chuàng)新意義和實際價值。

“如果將來藍藻的產糖量可以進一步提高，人類在太空旅行只需要背著一個背包大小的裝置，就可以維持氧氣和食物供應。”隨著藍藻人造葉片系統研制的日趨成熟，實驗室的蒿飛博士對未來充滿期待。

他告訴記者，將來，還可以在火星表面建立大量的藍藻人造葉片裝置，改造星球表面的大氣層。同時，利用藍藻的微生物特性，對火星表面的土壤進行改造，再結合人造葉片裝置，在星球表面開發(fā)出一片能種植農作物的生產基地，“最終，把火星改造成適宜人類生存的星球”。

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