油菜籽幼苗可以吸收醋酸鹽，這是一種簡單的有機(jī)化合物，可以借助太陽能由二氧化碳和水合成。但到目前為止，只有藻類、可食用酵母和真菌可以利用這樣的醋酸鹽生長，不需要光和光合作用，而且效率更高。攝影：MARCUS HARLAND-DUNAWAY

撰文：MADELEINE STONE

科幻小說中，未來人類可以生活在火星地下城、挖空的小行星，甚至遠(yuǎn)離太陽自由漂浮的空間站中。但是，如果人類想要在這些惡劣的外星環(huán)境中生存，就需要利用有限的資源來種植食物，但植物所必需的光合作用可能無法進(jìn)行，這是植物將陽光轉(zhuǎn)化為糖的過程，極其成功但能源效率低下。

現(xiàn)在，一些科學(xué)家正研究是否有可能完全跳過光合作用，在黑暗中種植植物，從而更有效地生產(chǎn)食物。

這個想法聽起來就像火星上的城市一樣科幻。但一個研究小組6月在《自然·食物》發(fā)表的一項研究朝著這一目標(biāo)邁出了第一步。該研究表明，在黑暗中種植藻類、食用酵母和產(chǎn)菇真菌是可能的，方法是用一種名為醋酸鹽的碳基化合物來滋養(yǎng)它們，這種化合物并非來自植物，而是利用太陽能生產(chǎn)的?？茖W(xué)家們希望這種“人工光合作用”技術(shù)能夠開辟出一條新道路，使用比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更少的物理空間和能源來生產(chǎn)食物——也可能包括能在黑暗中生長的作物。

雖然其他專家對是否有可能如此徹底地重新設(shè)計植物生物學(xué)持懷疑態(tài)度，但他們對研究人員發(fā)明的技術(shù)以及團(tuán)隊如何提高糧食生產(chǎn)效率的創(chuàng)新想法感到興奮。

“我們必須找到更有效地種植植物的方法，”該研究的合著者、特拉華大學(xué)化學(xué)和生物分子工程教授焦峰(音譯)說?！澳姆N(解決方案)是最好的?我認(rèn)為科學(xué)的美妙之處在于探索所有的可能性。”

比自然更高效

除了在少數(shù)極端環(huán)境中，如深海溫泉——生物依靠從海底裂縫中涌出的硫化氫所提供的化學(xué)能維持——地球上所有的生命都是由太陽提供能量的。甚至像老虎和鯊魚這樣的頂級捕食者也是復(fù)雜食物鏈的一部分，這些食物鏈可追溯到植物，以及海洋中的微小綠藻。這些所謂的初級生產(chǎn)者擁有一種生物超能力：能夠通過光合作用以二氧化碳為原料產(chǎn)生有機(jī)碳，這是一個由陽光驅(qū)動的生化過程。

研究人員發(fā)現(xiàn)，幾種產(chǎn)菇真菌(圖中的白色部分)可以利用太陽能電解槽中的醋酸鹽作為唯一的碳和能量來源生長。通常情況下，這些真菌依賴于植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)碳。攝影：ROBERT JINKERSON

然而，正如我們所知，盡管光合作用對生物來說不可或缺，但它的效率并不是很高：落到植物上的陽光中，只有大約1%被捕獲并用于制造有機(jī)碳。如果人類想在太空中自給自足，那么這種低效率勢必會成為一項挑戰(zhàn)，因為在太空中，使用盡可能少的資源生產(chǎn)食物是至關(guān)重要的。

這也是當(dāng)今地球需要面對的一個問題，隨著人口的增長，農(nóng)民們要從同樣的土地上榨取更多熱量。

一些科學(xué)家認(rèn)為，解決方案是對作物進(jìn)行基因改造，使其更有效地進(jìn)行光合作用。

這項新研究背后的科研人員提出了一些更不尋常的建議：用部分人工過程來取代生物的光合作用，將陽光轉(zhuǎn)化為食物。他們的處理方法是人工光合作用技術(shù)中的一種，這個術(shù)語已經(jīng)存在多年，包含了將陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品（如甲酸鹽、甲醇和氫氣）的各種方法。研究人員表示，他們的工作是首次將人工光合作用系統(tǒng)與嘗試種植常見產(chǎn)糧生物相結(jié)合。

人工光合作用系統(tǒng)以電解為基礎(chǔ)，或使用電流驅(qū)動電解器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。在他們最近的研究中，研究人員創(chuàng)建了一個兩步太陽能電解槽系統(tǒng)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧和醋酸鹽，一種簡單的碳基化合物。

然后，作者將這種醋酸鹽喂給萊茵衣藻(一種光合作用的綠藻)。他們還將醋酸鹽喂給營養(yǎng)酵母和產(chǎn)菇真菌，這些真菌自身不進(jìn)行光合作用，但通常需要植物產(chǎn)生的有機(jī)碳才能生長。

一種名為衣藻的藻類在黑暗中生長良好，使一個含有醋酸鹽的燒瓶變綠(右)，這種藻類通常需要陽光來進(jìn)行光合作用。對照燒瓶(左)不含醋酸鹽。攝影：ELIZABETH HANN

所有這些生物都能夠吸收醋酸鹽并在黑暗中生長，不依賴陽光或光合作用產(chǎn)生的碳。

與光合作用相比，這一過程效率驚人。通過人工光合作用，綠藻將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率是進(jìn)行生物光合作用的4倍。用這種方法培養(yǎng)的酵母的能源效率幾乎是農(nóng)作物的18倍。

“這是人工途徑相對于自然途徑的關(guān)鍵優(yōu)勢之一，”焦峰說道。

在黑暗中種植農(nóng)作物?

科學(xué)家們已經(jīng)知道萊茵衣藻可以在黑暗中靠醋酸鹽生長——這種生物是一種混合營養(yǎng)體，這意味著它可以在利用光合作用制造養(yǎng)料或食用其他植物產(chǎn)生的有機(jī)碳之間來回切換。但據(jù)加州大學(xué)河濱分校的資深研究作者Robert Jinkerson稱，這是萊茵衣藻第一次在不是來自近期光合作用或石油產(chǎn)品的醋酸鹽上生長，而石油產(chǎn)品是古代光合作用的化石遺跡。這一點很重要。

“這是任何光合生物，如研究中的藻類或植物，自進(jìn)化以來第一次獨立于光合作用而生長，” Jinkerson說道?！巴耆撾x了?！?/p>

在無光合作用的情況下成功培育藻類后，研究人員轉(zhuǎn)向了一個更困難的問題：可以種植農(nóng)作物嗎?

生菜可以從醋酸鹽中受益，但程度有限。它們的生長過程仍然需要陽光。開發(fā)能夠在黑暗中生長的作物仍然是一項巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，可能需要基因工程的支持。攝影：MARCUS HARLAND-DUNAWAY

他們的初步結(jié)果令人鼓舞。在黑暗中，研究人員在含有醋酸鹽的液體懸浮液中種植生菜組織，證實了它可以吸收和代謝外部提供的碳源。

當(dāng)他們在陽光下種植整株生菜(以及水稻、油菜籽、番茄和其他幾個作物品種)，但給它們添加補(bǔ)充醋酸鹽時，他們發(fā)現(xiàn)這些植物將醋酸鹽吸收到了自己的組織中。在氨基酸和糖類中能追蹤到標(biāo)有重碳同位素（稱為C-13）的醋酸鹽，這表明植物可以利用它來支持各種代謝過程。

然而，這項研究并沒有表明整株植物可以在不接觸陽光的情況下完全依靠醋酸鹽生長——事實上，研究人員的生菜實驗表明，過多的醋酸鹽反而會抑制植物生長。Jinkerson說，他的實驗室目前正致力于植物基因工程研究及育種，目的是使其對醋酸鹽的耐受性更強(qiáng)。這對該團(tuán)隊的人工光合作用技術(shù)來說是必要的，以大力支持植物生長和糧食生產(chǎn)。

突破研究所(Breakthrough Institute)的糧食和農(nóng)業(yè)分析師Emma Kovak表示，作者的研究結(jié)果代表著“向可能使用醋酸鹽幫助進(jìn)行植物室內(nèi)生產(chǎn)邁出了第一步”。如果它允許種植者減少室內(nèi)光照水平，就可以減少運營室內(nèi)農(nóng)場所需的能量。但Kovak說，“需要取得巨大的進(jìn)展”，才能讓植物在低光條件下利用醋酸鹽茁壯生長。

加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)合成生物學(xué)博士候選人Evan Groover同意這一觀點，他的研究重點是通過基因工程改造植物來改善光合作用。該研究“表明植物可以吸收醋酸鹽，但這并不能證明它們真的能靠它茁壯成長，或者有意義地合成養(yǎng)料、營養(yǎng)物質(zhì)或藥物，”Groover說。他說，實現(xiàn)后者將需要“完全重新編碼植物”。

與此同時，Groover表示，他發(fā)現(xiàn)兩位作者的論文“很令人振奮”。

“它向我們展示了在陌生的非地球環(huán)境中，或者在無法進(jìn)行傳統(tǒng)耕作的環(huán)境中，我們可能能夠捕獲光和碳的方法?！?/p>

深空食物

該技術(shù)的首次應(yīng)用可能是在外星環(huán)境中。研究人員向美國宇航局“深空食物挑戰(zhàn)賽”提交了人工光合作用這一概念，該挑戰(zhàn)賽為那些在長期太空任務(wù)中為宇航員提供食物的創(chuàng)新創(chuàng)意團(tuán)體頒發(fā)獎金和表彰。去年秋天，該團(tuán)隊的概念在第一階段中脫穎而出，成為18個獲勝者之一。第二階段要求這些團(tuán)隊建立一個真正生產(chǎn)食物的原型。獲獎?wù)邔⒂诿髂旯肌?/p>

在競賽中獲勝并不能保證一種新的食品生產(chǎn)技術(shù)將在未來的太空任務(wù)中應(yīng)用。美國宇航局艾姆斯研究中心的高級研究科學(xué)家Lynn Rothschild(沒有參與這項新研究)表示，首先需要解決許多技術(shù)細(xì)節(jié)。重量是一個關(guān)鍵的考慮因素，因為人工光合作用可能需要將新的設(shè)備運送到太空，包括額外的太陽能電池板和電解槽。

但Rothschild表示，想要在太空或地球上重新設(shè)計像光合作用這樣的基本生物過程，保持開放的心態(tài)是值得的：“回報可能是我們無法想象的?！?/p>

（譯者：陌上花開）