實(shí)驗(yàn)表明，在沒(méi)有光合作用的情況下滋養(yǎng)植物可能成為可能——這種工具有朝一日可以幫助養(yǎng)活宇航員和擁擠的星球。
科幻小說(shuō)想象未來(lái)的人們生活在火星的地下城市、挖空的小行星和遠(yuǎn)離太陽(yáng)的自由漂浮空間站。但是，如果人類(lèi)要在任何這些惡劣和陌生的環(huán)境中生存，他們將需要使用有限資源種植食物的方法——而光合作用，即植物將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為糖的非常成功但能源效率低下的過(guò)程，可能不會(huì)減少它.
現(xiàn)在，一些科學(xué)家想知道是否可以通過(guò)完全跳過(guò)光合作用并在黑暗中種植植物來(lái)更有效地生產(chǎn)食物。
這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)就像火星上的城市一樣科幻。但是，一組外國(guó)研究人員已發(fā)表了一項(xiàng)研究，朝著實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)邁出了第一步。研究表明，可以在黑暗中生長(zhǎng)藻類(lèi)、食用酵母和產(chǎn)蘑菇的真菌，方法是用一種叫做醋酸鹽的碳基化合物滋養(yǎng)它們，這種化合物不是來(lái)自植物，而是使用太陽(yáng)能制造的?？茖W(xué)家們希望這種方法，一種“人工光合作用”，可以開(kāi)辟新的方法來(lái)生產(chǎn)食物，使用比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更少的物理空間和能源——也許包括可以在黑暗中生長(zhǎng)的作物。
雖然其他專(zhuān)家懷疑是否有可能如此徹底地重新設(shè)計(jì)植物生物學(xué)，但他們對(duì)研究人員發(fā)明的技術(shù)以及團(tuán)隊(duì)關(guān)于如何提高食品生產(chǎn)效率的開(kāi)箱即用想法感到興奮。
比大自然更有效率
除了一些極端環(huán)境，如深海溫泉——由海底裂縫中冒出的硫化氫的化學(xué)能維持——地球上的所有生命都由太陽(yáng)提供燃料。即使是像老虎和鯊魚(yú)這樣的頂級(jí)捕食者，也是復(fù)雜食物網(wǎng)的一部分，這些食物網(wǎng)可以追溯到植物，而在海洋中，則是微小的綠藻。這些所謂的初級(jí)生產(chǎn)者具有生物超能力：通過(guò)光合作用從二氧化碳中產(chǎn)生有機(jī)碳的能力，光合作用是一種由陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的生化過(guò)程。
但是，盡管光合作用對(duì)我們所知的生命至關(guān)重要，但它的效率并不高：實(shí)際上只有大約百分之一的落在植物上的陽(yáng)光被捕獲并用于制造有機(jī)碳。如果人類(lèi)想要在太空中建立自我維持的存在，那么這種低效率將構(gòu)成挑戰(zhàn)，在太空中使用盡可能少的資源生產(chǎn)食物至關(guān)重要。
隨著人口的增長(zhǎng)，這也是當(dāng)今地球上的一個(gè)問(wèn)題，這給農(nóng)民帶來(lái)了從同一塊土地上榨取更多卡路里的壓力。
一些科學(xué)家認(rèn)為，解決方案是對(duì)作物進(jìn)行基因工程，以更有效地進(jìn)行光合作用。這項(xiàng)新研究背后的研究人員提出了一些更不尋常的建議：用部分人工的過(guò)程代替生物光合作用，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為食物。他們的過(guò)程是人工光合作用的一個(gè)版本，這個(gè)術(shù)語(yǔ)已經(jīng)存在多年，包括將陽(yáng)光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料和甲酸鹽、甲醇和氫氣等化學(xué)品的各種方法。這項(xiàng)新研究背后的研究人員表示，他們的工作代表了人工光合作用系統(tǒng)首次與種植常見(jiàn)的糧食生產(chǎn)生物的嘗試相結(jié)合。
他們的系統(tǒng)基于電解，或使用電流在稱(chēng)為電解器的設(shè)備內(nèi)驅(qū)動(dòng)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(gè)兩步太陽(yáng)能電解系統(tǒng)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣和醋酸鹽，這是一種簡(jiǎn)單的碳基化合物。
然后，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(yíng)養(yǎng)酵母和產(chǎn)蘑菇的真菌——它們自身不會(huì)進(jìn)行光合作用，但通常需要植物制造的有機(jī)碳才能生長(zhǎng)。
所有這些生物都能夠吸收醋酸鹽并在黑暗中生長(zhǎng)——獨(dú)立于陽(yáng)光或光合作用衍生的碳。
與光合作用相比，這個(gè)過(guò)程出奇地高效。使用人工光合作用，綠藻可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率大約是作物使用生物光合作用的四倍。使用這種工藝培養(yǎng)的酵母的能源效率幾乎是農(nóng)作物的 18 倍。
這是使用人工路徑與自然路徑相比的主要優(yōu)勢(shì)之一。
在黑暗中種植農(nóng)作物？
科學(xué)家們已經(jīng)知道藻類(lèi) 萊茵衣藻可以在黑暗中在醋酸鹽上生長(zhǎng)——這種生物體是一種混合營(yíng)養(yǎng)生物，這意味著它可以在光合作用制造自己的食物或吃其他植物產(chǎn)生的有機(jī)碳之間來(lái)回切換。
科學(xué)家初步研究結(jié)果是令人鼓舞的。在黑暗中，研究人員在含有醋酸鹽的液體懸浮液中培養(yǎng)萵苣組織，證實(shí)它可以吸收和代謝外部供應(yīng)的碳源。
當(dāng)他們?cè)诠庹障路N植整株萵苣（以及水稻、油菜、番茄和其他幾種作物），但給它們補(bǔ)充醋酸鹽時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些植物將醋酸鹽摻入了它們的組織中。帶有重碳同位素（稱(chēng)為碳 13）的乙酸鹽可以追溯到氨基酸和糖類(lèi)中，這表明植物可以使用它來(lái)支持各種代謝過(guò)程。
然而，這項(xiàng)研究并沒(méi)有表明整株植物可以在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下完全在醋酸鹽上生長(zhǎng)——事實(shí)上，研究人員對(duì)生菜的實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)多的醋酸鹽實(shí)際上會(huì)抑制植物生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)室目前正在研究基因工程和培育植物，以提高對(duì)醋酸鹽的耐受性。這對(duì)于團(tuán)隊(duì)的人工光合作用方法以顯著方式支持植物生長(zhǎng)和糧食生產(chǎn)是必要的。
深空食物
外星環(huán)境可能是研究人員首次應(yīng)用技術(shù)的地方。人工光合作用是探索人類(lèi)進(jìn)入深空的重要技術(shù)，可以研究深空食物，人類(lèi)在未來(lái)的太空飛行任務(wù)中會(huì)用到。雖許多技術(shù)細(xì)節(jié)需要首先解決，重量是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素——人工光合作用可能需要將新設(shè)備（包括額外的太陽(yáng)能電池板和電解槽）拖入太空。如何在太空或地球上應(yīng)用重新設(shè)計(jì)光合作用等基本生物過(guò)程的任何努力都會(huì)改變?nèi)祟?lèi)的生存方式。
