從發(fā)電到深空探索：微藻帶來(lái)的可持續(xù)未來(lái)

生命起源于海洋，在海洋中，最基礎(chǔ)、最原始的單細(xì)胞海藻是海洋生物食物鏈中底層的養(yǎng)料，支撐著海洋生物的生長(zhǎng)與生命的進(jìn)化。

海藻在三十五億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了，在生物界也算是活化石的存在，至今依然支撐著海底生物的生命系統(tǒng)多元化。海藻的活性成分多，營(yíng)養(yǎng)豐富，其生長(zhǎng)的條件易于創(chuàng)造，僅需要水分和光線(xiàn)就可以快樂(lè)地成長(zhǎng)。

在科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展中，海藻越來(lái)越多的重要價(jià)值被一一揭曉，如在功能性食品、食品添加劑、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、環(huán)保等領(lǐng)域都活躍著其身影。近日，一則藍(lán)藻發(fā)電支撐計(jì)算機(jī)微處理器整整一年的科學(xué)研究，引起了科研圈的熱議。藍(lán)藻潛在的發(fā)電能力讓目前遍布在數(shù)字世界的各種低耗能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備看見(jiàn)了可持續(xù)的曙光。

活化石中的隱藏“Power”

這項(xiàng)研究是來(lái)自劍橋大學(xué)、米蘭大學(xué)和 ARM 公司的研究團(tuán)隊(duì)共同合作，相關(guān)的研究論文以“Powering a microprocessor by photosynthesis”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊 Energy & Environmental Science 上。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行是在2021年疫情封鎖期間，研究人員通過(guò)將簡(jiǎn)易的設(shè)備裝置安置在窗臺(tái)上，就開(kāi)始了研究。據(jù)論文資料顯示，用以實(shí)驗(yàn)的發(fā)電小容器只有5 號(hào)電池般大小，裝置的材料也極其簡(jiǎn)單，僅包含鋁、塑料、藍(lán)藻、水這四種簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)材料。

研究團(tuán)隊(duì)最初推測(cè)，藍(lán)藻發(fā)電的原理要么是藍(lán)藻在光合作用下，在設(shè)備正負(fù)極的設(shè)置中自身產(chǎn)生電子，進(jìn)而產(chǎn)生電流，要么是藍(lán)藻創(chuàng)造出類(lèi)似傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)條件，將容器中的鋁陽(yáng)極腐蝕產(chǎn)生電子。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁陽(yáng)極并沒(méi)有出現(xiàn)降解、腐蝕現(xiàn)象。因此研究團(tuán)隊(duì)推斷，藍(lán)藻在光合作用中自身產(chǎn)生了大部分電流。

在 2021 年 2 月到 2021 年 8 月實(shí)驗(yàn)期間，這臺(tái)由藍(lán)藻驅(qū)動(dòng)的微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行了一些基本運(yùn)算，以45分鐘為周期，計(jì)算連續(xù)整數(shù)的總和來(lái)模擬計(jì)算工作量，需要耗費(fèi)0.3微瓦的電力，待機(jī)15分鐘則需要0.24微瓦的電力。計(jì)算機(jī)會(huì)將測(cè)量出的輸出電流數(shù)值存儲(chǔ)在云端，供研究團(tuán)隊(duì)分析。

研究團(tuán)隊(duì)最初的設(shè)想估計(jì)這個(gè)系統(tǒng)會(huì)在幾周后停止工作，但沒(méi)想到藍(lán)藻發(fā)電可以日夜不休地連續(xù)工作6個(gè)月，完成試驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，藍(lán)藻還在繼續(xù)發(fā)電，一直運(yùn)行到現(xiàn)在。在夜晚沒(méi)有光線(xiàn)的條件下，藍(lán)藻通過(guò)釋放在白天光合作用過(guò)程中存儲(chǔ)的能量，可以支持計(jì)算系統(tǒng)夜晚持續(xù)的運(yùn)行。

我們可以發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻雖然具備發(fā)電的能力，但釋放的電量比較微弱，目前也只是藍(lán)藻發(fā)電的系統(tǒng)驗(yàn)證。論文通訊作者 C. J. Howe 也表示：“當(dāng)前階段，在你家的屋頂上安裝藍(lán)藻發(fā)電機(jī)并不會(huì)為你的房子提供足夠的電力。我們還有很多研究工作要做。”

藍(lán)藻的整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單易搭建，與傳統(tǒng)電池或太陽(yáng)能相比，藻類(lèi)對(duì)環(huán)境的影響較小，而且能夠提供持續(xù)的電力。這個(gè)藍(lán)藻發(fā)電驗(yàn)證系統(tǒng)的成功，也讓藍(lán)藻發(fā)電，這種可持續(xù)、綠色、低成本的能源方式成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)各類(lèi)傳感器設(shè)備的可能供能方式。在一些中等收入、低收入的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以為一些人群提供低功耗手機(jī)、傳感器設(shè)備供能的服務(wù)。

微藻：生物燃料的新寵

雖然藍(lán)藻發(fā)電的電流微弱，但如果解決規(guī)?；c技術(shù)的限制，藍(lán)藻釋放的能源潛力，在萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字世界中應(yīng)用的前景十分廣闊。

我們知道，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要可持續(xù)的、低成本、分散的電能來(lái)提供動(dòng)力來(lái)源。雖然單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗很低，范圍只是從微瓦到毫瓦，但如果將所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億，據(jù)統(tǒng)計(jì)到2035年將會(huì)增加到一萬(wàn)億，這也意味著背后消耗的能源與材料資源巨大。如果使用藍(lán)藻這類(lèi)低污染、低成本、可持續(xù)的生物資源，也會(huì)為低碳、可持續(xù)的未來(lái)助益良多。

5 月 10 號(hào)，國(guó)家發(fā)改委也首次出臺(tái)印發(fā)了《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)劃”）的政策，強(qiáng)調(diào)了生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必要性，明確優(yōu)先發(fā)展生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)替代、生物安全四大重點(diǎn)領(lǐng)域。

“規(guī)劃”中將合成生物學(xué)視作加快生物經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略科技力量之一，多次提及。

而當(dāng)前合成生物學(xué)利用的主要生物源包括大腸桿菌、酵母和微藻等。微藻類(lèi)憑借其物種、產(chǎn)物的多樣性、高效的光合作用和固碳能力，成為合成生物學(xué)領(lǐng)域中備受矚目的基座類(lèi)生物基質(zhì)。

常見(jiàn)的微藻可以在食品加工、飼料等領(lǐng)域替代玉米等農(nóng)作物，以飼料蛋白為例，根據(jù)相關(guān)研究，微藻的蛋白質(zhì)產(chǎn)量每年每公頃 4-15 噸，遠(yuǎn)高于小麥、豆類(lèi)每年每公頃 0.6-1.2 噸的蛋白質(zhì)產(chǎn)量。微藻可以緩解氣候影響和人力資源缺乏的糧食危機(jī)。

近年來(lái)，微藻也成為生物燃料的新寵，藻類(lèi)可以通過(guò)光合作用固定大氣中的二氧化碳，將其轉(zhuǎn)換為糖類(lèi)、植物蛋白，也可以通過(guò)反應(yīng)生成氫、凈化廢水，可以為人類(lèi)提供更低廉、更環(huán)保和可持續(xù)的能源供給和固碳方式，在各類(lèi)清潔能源中具備不弱于其他能源的強(qiáng)大潛力。

在政策和技術(shù)的合力統(tǒng)籌與挖掘下，乘著低碳與可持續(xù)的東風(fēng)，微藻類(lèi)生物在合成生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中也會(huì)釋放出巨大的能量，實(shí)現(xiàn)未來(lái)生物燃料的主要供給。

外星殖民的可能性又多了一點(diǎn)？

在微藻的應(yīng)用中，從固碳到放電再到食物補(bǔ)充，對(duì)應(yīng)的是環(huán)保、能源、糧食危機(jī)，都是我們目前最需要解決的發(fā)展困境。對(duì)于生物來(lái)說(shuō)，可持續(xù)的生存是生命繁衍進(jìn)化的目標(biāo)。微藻的生長(zhǎng)過(guò)程可以同時(shí)覆蓋并提供一種解決方案應(yīng)對(duì)這三個(gè)發(fā)展難題。

生物技術(shù)的進(jìn)化中，如果解決了微藻電流開(kāi)發(fā)的技術(shù)限制與規(guī)模化難題，微藻的整個(gè)生長(zhǎng)就可以被設(shè)計(jì)在一套閉環(huán)系統(tǒng)中：微藻在光合作用下，將大氣中的二氧化碳捕獲，轉(zhuǎn)化為藻細(xì)胞中的蛋白和糖類(lèi)脂質(zhì)等，同時(shí)可以提供電能，釋放氧氣。

目前公認(rèn)地球現(xiàn)存微藻超過(guò) 30 萬(wàn)種，其中有 3 萬(wàn)種記錄在冊(cè)，但只有螺旋藻和小球藻等十幾種微藻被商業(yè)化開(kāi)發(fā)。整個(gè)微藻行業(yè)仍有較大的市場(chǎng)空間。根據(jù) Credence Research機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，2018 年全球藻類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值 339 億美元，預(yù)計(jì)到 2027 年將達(dá)到 565 億美元，從 2019 年到 2027 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 6.0%。微藻未來(lái)的千億藍(lán)海市場(chǎng)，將走到聚光燈下，獲得學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、投資圈的更多關(guān)注。

微藻類(lèi)具備極強(qiáng)的耐受力和適應(yīng)力，閉環(huán)的系統(tǒng)所需要的原料簡(jiǎn)單，只是水和光，無(wú)需耕地、化肥、殺蟲(chóng)劑及大量淡水，避免了許多常見(jiàn)的生態(tài)損害，如森林砍伐、生物多樣性喪失、荒漠化污染等。而微藻生產(chǎn)過(guò)程中使用的水也可以收獲后再次利用。

微藻對(duì)于二氧化碳的固定效率和光合作用機(jī)制，給了人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展新的機(jī)遇與窗口。微藻目前的應(yīng)用主要是在高附加值的產(chǎn)品，包括醫(yī)療和食品領(lǐng)域。比如一些微藻的生物合成、基因試驗(yàn)，藻類(lèi)綠色可持續(xù)食品的開(kāi)發(fā)等。未來(lái)主要聚焦發(fā)力的是在能源類(lèi)的技術(shù)應(yīng)用突破方面，如我們上文中提及的發(fā)電，以及高效率的固碳等。

生物合成學(xué)中的藻類(lèi)技術(shù)專(zhuān)家現(xiàn)下的研究重點(diǎn)就是突破合成生物學(xué)的技術(shù)限制，開(kāi)發(fā)新的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，新的微藻規(guī)模培養(yǎng)范式，釋放微藻中的能源應(yīng)用潛能，盡快實(shí)現(xiàn)未來(lái)可規(guī)?；a(chǎn)。微藻類(lèi)可以解決地球的各類(lèi)危機(jī)，對(duì)于宇宙的深空探索來(lái)說(shuō)，也具有巨大的商業(yè)空間。

如果腦洞開(kāi)大一些，在火星上，使用微藻的閉環(huán)系統(tǒng)也可以支持人類(lèi)在火星的部分活動(dòng)。火星的大氣中主要的氣體是二氧化碳，其含量占據(jù)96%，微藻的這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)如果可以移植到火星，在攜帶足夠水的前提下，少量研究人員在火星上活動(dòng)也沒(méi)有什么問(wèn)題。

如果目光放到深空探索中，微藻系統(tǒng)也可以支持我們?cè)谔?yáng)系的活動(dòng)。我們呼吸中排出的氣體主要是氮?dú)?、二氧化碳和氧氣。在目前已知的一些微藻?lèi)中，有七十多種可以固氮的品類(lèi)，這些藍(lán)藻在固氮的同時(shí)釋放氧氣，也是一種可以支持人類(lèi)深空探索的方式。雖然設(shè)定的這些條件比較理想化，但是科學(xué)的發(fā)展正是基于這些理想化的設(shè)定，才有了現(xiàn)在這些日新月異的變化，這也是未來(lái)科研研究的目標(biāo)與動(dòng)力。

擁有數(shù)十億生命的古老海藻，支持和喂養(yǎng)了無(wú)數(shù)的生命，在地球演化的歲月中，迎來(lái)送往了各式各樣的時(shí)代變遷。在技術(shù)更迭飛快的現(xiàn)代，我們借助工具得以更加深入的探索和開(kāi)拓微藻，這個(gè)古老的生命也會(huì)繼續(xù)支撐著我們走向綠色，走向可持續(xù)的未來(lái)，走向深空。