蓝藻人造叶片系统让人类移民火星成为可能

2019-03-25 18:01:33 来源: 中国青年报

科研团队探索永无止境。西北工业大学供图

人造叶片工作示意图。西北工业大学供图

探索浩瀚宇宙,是全人类的共同梦想。前不久,科幻电影《流浪地球》的“爆红”,再次激起人们对太空探索的兴趣。然而,面对深空探索,人类始终面临一个重要难题——如何在浩瀚的太空中,为宇航员或太空旅客、移民者提供一个长期、稳定的生命保障系统?

近日,在西北工业大学生态与环境保护研究中心的合成生物学实验室,研究出可以向细胞外分泌蔗糖的蓝藻。据了解,以此为核心打造的蓝藻人造叶片系统,可以构建类似地球的生态环境,从而为解决人类探索太空时的生存难题提供一个崭新的思路。

什么是蓝藻?——它是目前地球上唯一已知的、能产生氧气的光合自养型微生物,也是地球上最原始的微生物之一。蓝藻具有比植物更加高效的光合作用,是地球上绿色光合植物的祖先,地球富含的氧气主要是蓝藻的贡献。同时,蓝藻又具有极强的生命力,目前,人类已在深海温泉和莫哈韦沙漠内部的岩石中,发现有蓝藻的生长。

“可以利用蓝藻这两大特点,在太空极端环境下,把二氧化碳和水还原成人类必需的碳水化合物和氧气。”合成生物学实验室王文教授告诉记者:目前,该实验室已初步建立了完备、成熟的各种蓝藻培养体系,并成功实现了蓝藻的外源DNA转化技术,建立的蓝藻基因编辑体系为构建蓝藻人造叶片提供了有力技术支持。

“通过对蓝藻进行基因编辑,我们成功获得了可以将细胞生产的蔗糖自动排到细胞外的蓝藻。”实验发现,随着蓝藻的持续培养,野生型蓝藻基本没有变化,而实验组蓝藻却持续地向细胞外产出蔗糖,细胞外培养溶液里蔗糖浓度累计能达到1.1G/L以上。

“也就是说,每升培养溶液可以产生1.1克蔗糖,而且这个生产过程是持续不断的。”王文教授表示,这已达到了目前国际上同类工作的最高水平,而且这一特性有望进一步改造完善,大幅度提高产量。

利用这样的特性,科学家们进一步锁定了研究的新方向:设计蓝藻人造叶片——一种以培养蓝藻为核心的、类似太阳能板的装置。

“在太空中,这种装置保护蓝藻不受太空辐射,以及极限温度、极度干燥等太空环境的伤害。”同时,还可以有效利用太空中的光照和装置里不断循环的含二氧化碳的液体,给蓝藻一个适宜生长繁衍的培养环境。

改造过的蓝藻,将不断分泌蔗糖等碳水化合物以及氧气。随着循环水流,这些能量物质和氧气被排到装置外收集起来,成为人类需要的食物等能源物质。

“有了碳水化合物,就可以改造别的工程菌,生产出氨基酸、维生素、能源、药物、各种化工材料等。”王文教授进一步介绍:以人造叶片为核心,同时建立一个废物处理循环系统,使废水、废气经过蓝藻处理变成可再利用的生活用水和新鲜空气,从而形成一个完全自产自足的太空生存系统。

据介绍,经过亿万年进化,地球才形成了适宜人类生存的环境。要模仿构建类似地球、如此复杂的自然界生态系统,在小尺度上是难以保持长时间自主循环运行的。“但如果把蓝藻大幅度改造,做成人造叶片,可操作性比构建一个生态系统要容易得多”。

从严格意义上讲,基于蓝藻开发的人造叶片装置不是生态系统,而是人为可控的装置,“它在未来太空探索和太空移民初始阶段具有方便、高效的优越性。”这种利用合成生物学,以蓝藻为核心开发的能量生产、废物处理、环境改造等多功能的人造叶片装置,对于我国航天科技和太空探索领域的发展具有重大创新意义和实际价值。

“如果将来蓝藻的产糖量可以进一步提高,人类在太空旅行只需要背着一个背包大小的装置,就可以维持氧气和食物供应。”随着蓝藻人造叶片系统研制的日趋成熟,实验室的蒿飞博士对未来充满期待。

他告诉记者,将来,还可以在火星表面建立大量的蓝藻人造叶片装置,改造星球表面的大气层。同时,利用蓝藻的微生物特性,对火星表面的土壤进行改造,再结合人造叶片装置,在星球表面开发出一片能种植农作物的生产基地,“最终,把火星改造成适宜人类生存的星球”。

中国青年报·中青在线记者 孙海华 通讯员 赵媛媛

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