科研團(tuán)隊(duì)探索永無(wú)止境。西北工業(yè)大學(xué)供圖

人造葉片工作示意圖。西北工業(yè)大學(xué)供圖

探索浩瀚宇宙，是全人類(lèi)的共同夢(mèng)想。前不久，科幻電影《流浪地球》的“爆紅”，再次激起人們對(duì)太空探索的興趣。然而，面對(duì)深空探索，人類(lèi)始終面臨一個(gè)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(gè)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的生命保障系統(tǒng)?

近日，在西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究中心的合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，研究出可以向細(xì)胞外分泌蔗糖的藍(lán)藻。據(jù)了解，以此為核心打造的藍(lán)藻人造葉片系統(tǒng)，可以構(gòu)建類(lèi)似地球的生態(tài)環(huán)境，從而為解決人類(lèi)探索太空時(shí)的生存難題提供一個(gè)嶄新的思路。

什么是藍(lán)藻?——它是目前地球上唯一已知的、能產(chǎn)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(lán)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(lán)藻的貢獻(xiàn)。同時(shí)，藍(lán)藻又具有極強(qiáng)的生命力，目前，人類(lèi)已在深海溫泉和莫哈韋沙漠內(nèi)部的巖石中，發(fā)現(xiàn)有藍(lán)藻的生長(zhǎng)。

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

“通過(guò)對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行基因編輯，我們成功獲得了可以將細(xì)胞生產(chǎn)的蔗糖自動(dòng)排到細(xì)胞外的藍(lán)藻。”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著藍(lán)藻的持續(xù)培養(yǎng)，野生型藍(lán)藻基本沒(méi)有變化，而實(shí)驗(yàn)組藍(lán)藻卻持續(xù)地向細(xì)胞外產(chǎn)出蔗糖，細(xì)胞外培養(yǎng)溶液里蔗糖濃度累計(jì)能達(dá)到1.1G/L以上。

“也就是說(shuō)，每升培養(yǎng)溶液可以產(chǎn)生1.1克蔗糖，而且這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是持續(xù)不斷的。”王文教授表示，這已達(dá)到了目前國(guó)際上同類(lèi)工作的最高水平，而且這一特性有望進(jìn)一步改造完善，大幅度提高產(chǎn)量。

利用這樣的特性，科學(xué)家們進(jìn)一步鎖定了研究的新方向：設(shè)計(jì)藍(lán)藻人造葉片——一種以培養(yǎng)藍(lán)藻為核心的、類(lèi)似太陽(yáng)能板的裝置。

“在太空中，這種裝置保護(hù)藍(lán)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(shí)，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(lán)藻一個(gè)適宜生長(zhǎng)繁衍的培養(yǎng)環(huán)境。

改造過(guò)的藍(lán)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(zhì)和氧氣被排到裝置外收集起來(lái)，成為人類(lèi)需要的食物等能源物質(zhì)。

“有了碳水化合物，就可以改造別的工程菌，生產(chǎn)出氨基酸、維生素、能源、藥物、各種化工材料等。”王文教授進(jìn)一步介紹：以人造葉片為核心，同時(shí)建立一個(gè)廢物處理循環(huán)系統(tǒng)，使廢水、廢氣經(jīng)過(guò)藍(lán)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(gè)完全自產(chǎn)自足的太空生存系統(tǒng)。

據(jù)介紹，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化，地球才形成了適宜人類(lèi)生存的環(huán)境。要模仿構(gòu)建類(lèi)似地球、如此復(fù)雜的自然界生態(tài)系統(tǒng)，在小尺度上是難以保持長(zhǎng)時(shí)間自主循環(huán)運(yùn)行的。“但如果把藍(lán)藻大幅度改造，做成人造葉片，可操作性比構(gòu)建一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)要容易得多”。

從嚴(yán)格意義上講，基于藍(lán)藻開(kāi)發(fā)的人造葉片裝置不是生態(tài)系統(tǒng)，而是人為可控的裝置，“它在未來(lái)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(xué)，以藍(lán)藻為核心開(kāi)發(fā)的能量生產(chǎn)、廢物處理、環(huán)境改造等多功能的人造葉片裝置，對(duì)于我國(guó)航天科技和太空探索領(lǐng)域的發(fā)展具有重大創(chuàng)新意義和實(shí)際價(jià)值。

“如果將來(lái)藍(lán)藻的產(chǎn)糖量可以進(jìn)一步提高，人類(lèi)在太空旅行只需要背著一個(gè)背包大小的裝置，就可以維持氧氣和食物供應(yīng)。”隨著藍(lán)藻人造葉片系統(tǒng)研制的日趨成熟，實(shí)驗(yàn)室的蒿飛博士對(duì)未來(lái)充滿期待。

他告訴記者，將來(lái)，還可以在火星表面建立大量的藍(lán)藻人造葉片裝置，改造星球表面的大氣層。同時(shí)，利用藍(lán)藻的微生物特性，對(duì)火星表面的土壤進(jìn)行改造，再結(jié)合人造葉片裝置，在星球表面開(kāi)發(fā)出一片能種植農(nóng)作物的生產(chǎn)基地，“最終，把火星改造成適宜人類(lèi)生存的星球”。