為什么這種看不見的植物是固碳小能手？

出品：科普中國(guó)

作者：李定頤 李學(xué)楊（中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

“客路青山外，行舟綠水前?！?/p>

為什么許多風(fēng)景名勝里的湖泊都是綠色的？是因?yàn)榘哆吘G樹的掩映？還是因?yàn)楹姿莸膿u曳呢？其實(shí)這些都不是主要原因，這還要?dú)w功于一類我們看不見的植物——微藻。

青山綠水

（圖片來(lái)源：zcool圖庫(kù)）

什么是微藻？

提到“藻”字，我們總會(huì)想到海帶、紫菜這些美味食材。它們長(zhǎng)著類似于青菜的外形，但不同部位吃起來(lái)感覺一樣，全然不像青菜的根、莖、葉那樣各有千秋。

這是因?yàn)?strong>它們的細(xì)胞分化程度低，不同部位的細(xì)胞成分、結(jié)構(gòu)和功能幾乎沒有差異，可以理解為是由同一種“積木”搭出的“建筑”。

由于體型長(zhǎng)達(dá)數(shù)米，它們被統(tǒng)稱為**“大型藻類”**（Macroalgae）。

與之相反，更多藻類選擇以單細(xì)胞微生物的方式生存，被統(tǒng)稱為**“微型藻類”**（Microalgae），簡(jiǎn)稱微藻。

幾種常見的微藻

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

雖然微藻的體型通常只有幾個(gè)微米，比頭發(fā)絲還要細(xì)上許多倍，需借助高倍光學(xué)顯微鏡才能看清，但微藻家族十分龐大，種類繁多。

它們對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，因而在自然界中分布極廣。從星羅棋布的江河湖泊到廣袤的海洋，從北歐的凍土層到北非的沙漠，到處都有它們的足跡。

微藻如此繁盛的秘訣在于它們是光合微生物。與陸生植物類似，只要有陽(yáng)光、空氣和水，它們就能通過(guò)光合作用合成有機(jī)物，維持自身的生存繁衍。

微型生物綠藻群落

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

同時(shí)，作為單細(xì)胞生物，它們與環(huán)境的物質(zhì)能量交換非常便捷，光合作用速率也大大超過(guò)陸生植物。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年通過(guò)光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物中，一半都是微藻貢獻(xiàn)的。也就是說(shuō)，我們每天呼吸的空氣和攝入的營(yíng)養(yǎng)，有一半要?dú)w功于這些看不見的“植物”。

微藻的前世今生

我們?nèi)祟愔挥袔装偃f(wàn)年的歷史，恐龍時(shí)代離我們都足夠遙遠(yuǎn)，而微藻卻誕生于比恐龍都早得多的35億年前。

那時(shí)地球剛剛經(jīng)歷外來(lái)天體的撞擊高峰而變得滿目瘡痍，陸地上除了巖石一無(wú)所有，大氣中沒有一絲氧氣。

來(lái)自海底火山口的微生物擴(kuò)散到淺海，開始利用照射進(jìn)水中的陽(yáng)光作為能量來(lái)源，從而演化出最早的放氧光合微藻——藍(lán)藻。

藍(lán)藻通過(guò)內(nèi)共生形成真核微藻

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

藍(lán)藻是原核細(xì)胞，沒有成型的細(xì)胞核，在與其他細(xì)胞的融合中產(chǎn)生了具有光合功能的真核細(xì)胞，也就是真核微藻。

由于這些微藻生活所處的光環(huán)境不同，它們體內(nèi)負(fù)責(zé)吸收光能的色素也各異，使得它們的顏色各異。以此作為分類依據(jù)，就有了綠藻、紅藻和金藻。

眾所周知，生命的演化大方向是從海洋到陸地，從單細(xì)胞到多細(xì)胞。微藻也不例外，其中尤以綠藻最為突出，逐漸占領(lǐng)陸地上的江河湖泊，并孕育出了9億年前最早的陸生植物。

從此刻起，地球才開始慢慢變成了如今我們看到的樣子。

一方面，微藻與陸生植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳并釋放出氧氣，調(diào)節(jié)了地球氣候，并為生命從無(wú)氧呼吸邁向更高效的有氧呼吸創(chuàng)造了基本條件，推動(dòng)了龐大如恐龍的多細(xì)胞陸生動(dòng)物的誕生與進(jìn)化。

另一方面，微藻與陸生植物作為食物鏈的底層生產(chǎn)者，以自身奉養(yǎng)了眾多食草動(dòng)物和更上層的食肉動(dòng)物，維持了生態(tài)平衡并極大地豐富了地球生物圈的物種多樣性。

綠藻登陸并演化為陸生植物

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

時(shí)至今日，陸地已經(jīng)是綠色植物們的天下了。說(shuō)到光合作用，我們最先想到的也是它們。但微藻依舊在我們看不見的地方默默參與了我們的日常生活，比如：

微藻的蛋白含量很高，可作為肉類替代品端上我們的餐桌，也可作為食品添加劑，讓我們的菜肴更具營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味。就算我們吃不慣它，微藻還能充當(dāng)動(dòng)物飼料，捍衛(wèi)我們的吃肉自由。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微藻培養(yǎng)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

微藻具有良好的環(huán)境凈化功能，可吸收各類廢水中的重金屬離子和過(guò)量營(yíng)養(yǎng)元素，避免天然水體的富營(yíng)養(yǎng)化和毒化，還我們一片綠水藍(lán)天。

微藻還可用于提煉生物柴油或發(fā)酵制備乙醇等可再生生物質(zhì)能源，逐步替代化石能源，從而減少全球二氧化碳的排放，消除由溫室氣體帶來(lái)的氣候異常。

如何提高微藻光合作用的效率？

正是由于微藻傳承下來(lái)的光合作用，才有了包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的幾乎所有地球生物生存的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，光合作用也被公認(rèn)為是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。

從諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立至今的一百多年里，光合作用相關(guān)研究獲獎(jiǎng)的就有8次之多，足見其受重視程度和其重要作用。

現(xiàn)階段，微藻和綠色植物的光合效率偏低，導(dǎo)致生物質(zhì)能在成本上比化石能源和新能源更高。

因此，簡(jiǎn)單高效地提高它們的光合固碳效率，是強(qiáng)化生物質(zhì)能的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

雖然科學(xué)家們對(duì)光合作用的具體機(jī)理還不甚明了，但可以大致勾勒出其反應(yīng)歷程。

對(duì)于真核微藻和綠色植物，光合作用在葉綠體中進(jìn)行，可分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩部分。

圖5 葉綠體中的光反應(yīng)與暗反應(yīng)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]）

光反應(yīng)中，葉綠體吸收太陽(yáng)光以分解水，釋放出氧氣并合成高能活性物質(zhì)；暗反應(yīng)中，借助光反應(yīng)產(chǎn)生的高能活性物質(zhì)和一系列固碳酶的催化作用，二氧化碳被還原為糖類等有機(jī)物。

由于光反應(yīng)和暗反應(yīng)串聯(lián)進(jìn)行，因此光合作用速率取決于這兩者中較慢的那個(gè)，類似于木桶效應(yīng)。

而暗反應(yīng)正是這塊短板，其原因有兩點(diǎn)：一是二氧化碳的供應(yīng)不足，二是固碳關(guān)鍵酶Rubisco的催化活性太低。

針對(duì)第二點(diǎn)原因，大自然采取“效率不夠，數(shù)量來(lái)湊”的策略，大量合成固碳關(guān)鍵酶Rubisco，使其成為地球上含量最高的蛋白。

但對(duì)于第一點(diǎn)原因，大自然卻束手無(wú)策，因?yàn)榇髿庵卸趸紳舛葹?.04%。而微藻主要生活在水中，溶解的二氧化碳濃度比大氣中低得多。所謂巧婦難為無(wú)米之炊，缺少二氧化碳這一原料，生物質(zhì)的合成速率自然快不起來(lái)。

2023年，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》（《自然-通訊》）上的一篇論文報(bào)道了一種人工強(qiáng)化微藻光合固碳的新策略。

通過(guò)在微藻表面自組裝上一層可在水中富集二氧化碳的人工材料，可有效地將二氧化碳濃縮到微藻表面，再通過(guò)微藻固有的二氧化碳轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制運(yùn)輸?shù)饺~綠體內(nèi)，顯著加速了微藻的光合固碳效率。

人工強(qiáng)化微藻光合固碳策略的原理示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]）

這就好比在下雨天，一個(gè)人張著嘴站在門口，是喝不到多少水的。假如他利用集水裝置接滿一缸水放在門口，那在很長(zhǎng)時(shí)間里，他都不會(huì)缺水喝了。

這一策略巧妙利用微藻表面組裝的人工材料富集二氧化碳，突破了微藻原本只能利用水中溶解的二氧化碳這一瓶頸，從而將微藻的光合固碳速率提高近一倍。不僅在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出更多的生物質(zhì)供我們利用，也消耗了大氣中更多的二氧化碳，助力我們?cè)缛諏?shí)現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

在地球的演化過(guò)程中，微藻扮演了非常關(guān)鍵的角色，直至今日也在多方面支撐著我們?nèi)祟惖男腋Ｉ?。但由于其總體光合效率較低，制約了微藻相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

對(duì)此，我們不僅要深入研究自然光合作用的具體調(diào)節(jié)機(jī)制，力爭(zhēng)“認(rèn)識(shí)自然”，也要解放思想，跨學(xué)科跨領(lǐng)域地尋求改善光合作用的方法，令我們?nèi)祟惿鐣?huì)的發(fā)展與大自然的寧?kù)o祥和并行不悖。

參考文獻(xiàn)：

[1] BENEMANN J. Microalgae for Biofuels and Animal Feeds. Energies 2013, 217: 5869-5886.

[2] CLARK D P & PAZDERNIK N J. in Molecular Biology (Second Edition). 2013, 812-853.

[3] DE VRIES J & ARCHIBALD J M. Plant evolution: landmarks on the path to terrestrial life[J]. 2018, 217(4): 1428-1434.

[4] GAN P, LIU F, LI R, et al. Chloroplasts— Beyond Energy Capture and Carbon Fixation: Tuning of Photosynthesis in Response to Chilling Stress. International Journal of Molecular Sciences 2019, 20: 5046.

[5] LI D, DONG H, CAO X, et al. Enhancing photosynthetic CO2 fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa[J]. Nature Communications 2023, 14(1): 5337.