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植物托起全世界

人和動(dòng)物不吃食物會(huì)餓死，但是，只有極少的植物是可以進(jìn)食的，原因在于兩者感知世界和聯(lián)系萬(wàn)物的生存方式迥然不同。植物的生存方式可以概括為，自己生存也幫助和支撐萬(wàn)物生存，因此，不論動(dòng)物世界如何進(jìn)化，托起和創(chuàng)造了整個(gè)自然和人類社會(huì)的還得靠植物。

植物、海藻和藍(lán)細(xì)菌等是自營(yíng)生物，就是通過(guò)自身內(nèi)部的生命機(jī)理和生化機(jī)制產(chǎn)生能量供自身消費(fèi)，而且產(chǎn)生的能量還能供應(yīng)其他動(dòng)物，如供給人類水稻、小麥，供給動(dòng)物以各類果實(shí)和樹葉等。這一切又是由植物的葉綠體通過(guò)光合作用產(chǎn)生的，而光合作用又產(chǎn)生于植物細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)。

植物細(xì)胞有細(xì)胞壁，動(dòng)物沒有；大部分植物細(xì)胞有葉綠體，大部分動(dòng)物沒有；植物細(xì)胞有個(gè)大的液泡，動(dòng)物細(xì)胞只有小液泡……正是有了這些結(jié)構(gòu)，植物可以通過(guò)光合作用將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，因?yàn)槿~綠體能利用太陽(yáng)的光能，與二氧化碳和水產(chǎn)生反應(yīng)，制造有機(jī)物質(zhì)如葡萄糖并釋放氧氣，這個(gè)過(guò)程就稱為光合作用。

動(dòng)物的生存與植物剛好相反，動(dòng)物是異營(yíng)生物，要從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)消化，分解成小分子物質(zhì)被細(xì)胞吸收，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步降解后轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，經(jīng)過(guò)一系列酶催化的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水，并釋放能量。

正因?yàn)槿绱?，綠色植物養(yǎng)活了動(dòng)物和全世界。首先是，人類和動(dòng)物吃的食物和果實(shí)都是經(jīng)過(guò)光合作用產(chǎn)生的。光合作用利用無(wú)機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物并且貯存能量，能量轉(zhuǎn)換效率約為6%。通過(guò)食用，人和動(dòng)物這些食物鏈的消費(fèi)者可以吸收植物所貯存的能量，效率為10%左右。所以，植物是食物鏈的生產(chǎn)者。

在植物界，有像豬籠草這樣可以吃肉的異類，在動(dòng)物界，也有細(xì)胞里含有葉綠體的，如綠葉海蛞蝓。它在幼年時(shí)期食用藻類，將葉綠體貯存在細(xì)胞內(nèi)，或者是攝取藻類部分基因，使自身也能產(chǎn)生葉綠體，并通過(guò)修補(bǔ)葉綠體的損傷，延長(zhǎng)葉綠體的壽命。當(dāng)它成年后，就會(huì)停止進(jìn)食，依靠葉綠體提供能量，給自己養(yǎng)老送終。

再造自然

既然光合作用和葉綠體有如此大的神通，可不可以創(chuàng)造人造葉綠體來(lái)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化人類所需要的有機(jī)物呢？經(jīng)過(guò)千百年的探索，科學(xué)家終于給出了肯定的回答。

目前，明確做出這種回答的是德國(guó)馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的厄爾布教授和法國(guó)波爾多大學(xué)的馬雷特教授的團(tuán)隊(duì)。他們?cè)?020年5月的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，即一種自動(dòng)化人造葉綠體組裝平臺(tái)，可以根據(jù)人們的需求制造出不同的人造葉綠體，甚至可以根據(jù)人類的需求，合成各種不同的有機(jī)物，如食物、藥物、燃料等。

葉綠體是植物完成光合作用的主要場(chǎng)所，過(guò)程分為兩個(gè)階段，光反應(yīng)階段與暗反應(yīng)階段。光反應(yīng)在葉綠體的類囊體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生，利用二氧化碳與水在光照條件下為暗反應(yīng)提供必需物質(zhì)；暗反應(yīng)則發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，利用光反應(yīng)產(chǎn)物可生成葡萄糖，同時(shí)完成碳的固定，在向生物供給能量的同時(shí)，也將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物。因此，這是一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等步驟的生物化學(xué)反應(yīng)，也是植物自然演化出的重要生存能力和策略。

厄爾布團(tuán)隊(duì)的人造葉綠體在2016年就取得了初步成果。當(dāng)時(shí)，厄爾布等人在德國(guó)馬克斯？普朗克陸地生物研究所研發(fā)了一種人工碳固定裝置，通過(guò)一系列自然和工程化酶，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)分子，而且這個(gè)反應(yīng)程序比天然植物固定碳的效率更高。不僅如此，他們另一項(xiàng)突破是，研發(fā)了人工葉綠體組裝平臺(tái)，可以自動(dòng)生產(chǎn)人工葉綠體，同時(shí)根據(jù)人們的需求添加不同的酶來(lái)制備不同功能的人工葉綠體。

顯然，這是一種一半天然，一半合成的人造葉綠體。這種人造葉綠體，可以成功還原光合作用的全過(guò)程。更重要的是，全新的組裝平臺(tái)生產(chǎn)的人造葉綠體，它們可以彼此獨(dú)立運(yùn)行，只要隨意改造這些人工葉綠體，就能滿足不同的需求，生產(chǎn)出人們所需要的種種有機(jī)物。

改造火星的先遣部隊(duì)

不過(guò)，這種半自然和半人造的人造葉綠體運(yùn)行還不是太穩(wěn)定，因?yàn)槿嗽烊~綠體中的葉綠體膜運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)就會(huì)降解，使得人造葉綠體的使用受到限制。而且，要從菠菜中提取的葉綠體膜比較耗時(shí)，因此，下一個(gè)目標(biāo)是研發(fā)人造葉綠體膜來(lái)取代菠菜的葉綠體膜，形成真正意義上的完全的人造葉綠體。

即便如此，這種半自然半人造的葉綠體也體現(xiàn)了潛在的巨大價(jià)值，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)添加一些特殊的蛋白質(zhì)和酶來(lái)維持這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)這種人造葉綠體能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先可以吸收和固化現(xiàn)在全球因使用化石燃料排放到自然中的大量的二氧化碳，從而放緩全球氣候變暖，甚至扭轉(zhuǎn)全球變暖的不利局面。換句話說(shuō)，人造葉綠體可以幫助實(shí)現(xiàn)“碳中和”，也稱為二氧化碳凈零排放，是指在全球范圍的一定時(shí)期內(nèi)，人為二氧化碳移除抵消人為二氧化碳排放。

厄爾布團(tuán)隊(duì)證明，他們研發(fā)的人造葉綠體吸收二氧化碳的速度，比之前合成生物學(xué)的方法快了100倍，甚至比自然綠色植物吸收和固化二氧化碳的速度快。自然界的光合作用是地球上最主要的二氧化碳固定方法，植物、可光合作用的微生物通過(guò)光合作用從大氣中吸收二氧化碳的速率，與通過(guò)生物的呼吸作用把二氧化碳釋放到大氣中的速率基本相等，因此大氣中二氧化碳的含量在受到人類活動(dòng)干擾以前是基本穩(wěn)定的。

不過(guò)，自從工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料的大量使用使得二氧化碳的生成量估計(jì)每年增加4.8%，因此大氣中二氧化碳濃度逐漸升高，破壞了自然界原有的碳平衡，并導(dǎo)致氣候異常。但是隨著化石燃料的消耗量激增，自然界的光合作用已經(jīng)無(wú)法及時(shí)將過(guò)多的二氧化碳固定，人工固碳將成為解決碳排放的一條出路。

如果厄爾布團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人造葉綠體能批量生產(chǎn)并在化石燃料使用較多的國(guó)家廣泛布置，哪怕是等同于自然綠色植物的碳吸收和固化速度，也會(huì)幫助人類實(shí)現(xiàn)碳中和。一方面，燃燒化石燃料是產(chǎn)生“碳源”，而森林、泥炭沼澤、土壤等能夠吸收儲(chǔ)存空氣中的二氧化碳，也即“碳匯”。人造葉綠體能夠吸收和固化一部分二氧化碳，也是碳匯的一部分，因此可以為緩減全球變暖做貢獻(xiàn)。

不僅于此，如果打開腦洞，人造葉綠體甚至可以改造整個(gè)星球。

在移民火星計(jì)劃上，特斯拉CEO馬斯克是認(rèn)真的，他愿意將自己一半的財(cái)富用于在火星上建造城市，“以確保生命的延續(xù)，以防地球受到恐龍襲擊、世界大戰(zhàn)或流星撞擊等導(dǎo)致的人類毀滅?！?/p>

但是，火星上的主要?dú)怏w是二氧化碳，并不適宜人類居住，為此必須改造火星環(huán)境。一個(gè)可能的計(jì)劃是，在火星上綠化，通過(guò)綠色植物產(chǎn)生大量的氧氣供移民火星的人呼吸。而普通植物，顯然不能適應(yīng)改造初期的火星，此時(shí)如果把人造葉綠體帶上火星，并用人工手段加強(qiáng)其生存能力，讓它成為改造火星的先遣部隊(duì)，這樣一來(lái)，人類在火星生存所需的空氣和食物就都解決了，移民火星也不再是件難事。