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西北工業大學:藍藻人造葉片系統讓人類移民火星成為可能
2019-03-25 中國青年報

科研團隊探索永無止境。西北工業大學供圖

人造葉片工作示意圖。西北工業大學供圖

  探索浩瀚宇宙,是全人類的共同夢想。前不久,科幻電影《流浪地球》的“爆紅”,再次激起人們對太空探索的興趣。然而,面對深空探索,人類始終面臨一個重要難題——如何在浩瀚的太空中,為宇航員或太空旅客、移民者提供一個長期、穩定的生命保障系統?

  近日,在西北工業大學生態與環境保護研究中心的合成生物學實驗室,研究出可以向細胞外分泌蔗糖的藍藻。據了解,以此為核心打造的藍藻人造葉片系統,可以構建類似地球的生態環境,從而為解決人類探索太空時的生存難題提供一個嶄新的思路。

  什么是藍藻?——它是目前地球上唯一已知的、能產生氧氣的光合自養型微生物,也是地球上最原始的微生物之一。藍藻具有比植物更加高效的光合作用,是地球上綠色光合植物的祖先,地球富含的氧氣主要是藍藻的貢獻。同時,藍藻又具有極強的生命力,目前,人類已在深海溫泉和莫哈韋沙漠內部的巖石中,發現有藍藻的生長。

  “可以利用藍藻這兩大特點,在太空極端環境下,把二氧化碳和水還原成人類必需的碳水化合物和氧氣。”合成生物學實驗室王文教授告訴記者:目前,該實驗室已初步建立了完備、成熟的各種藍藻培養體系,并成功實現了藍藻的外源DNA轉化技術,建立的藍藻基因編輯體系為構建藍藻人造葉片提供了有力技術支持。

  “通過對藍藻進行基因編輯,我們成功獲得了可以將細胞生產的蔗糖自動排到細胞外的藍藻。”實驗發現,隨著藍藻的持續培養,野生型藍藻基本沒有變化,而實驗組藍藻卻持續地向細胞外產出蔗糖,細胞外培養溶液里蔗糖濃度累計能達到1.1G/L以上。

  “也就是說,每升培養溶液可以產生1.1克蔗糖,而且這個生產過程是持續不斷的。”王文教授表示,這已達到了目前國際上同類工作的最高水平,而且這一特性有望進一步改造完善,大幅度提高產量。

  利用這樣的特性,科學家們進一步鎖定了研究的新方向:設計藍藻人造葉片——一種以培養藍藻為核心的、類似太陽能板的裝置。

  “在太空中,這種裝置保護藍藻不受太空輻射,以及極限溫度、極度干燥等太空環境的傷害。”同時,還可以有效利用太空中的光照和裝置里不斷循環的含二氧化碳的液體,給藍藻一個適宜生長繁衍的培養環境。

  改造過的藍藻,將不斷分泌蔗糖等碳水化合物以及氧氣。隨著循環水流,這些能量物質和氧氣被排到裝置外收集起來,成為人類需要的食物等能源物質。

  “有了碳水化合物,就可以改造別的工程菌,生產出氨基酸、維生素、能源、藥物、各種化工材料等。”王文教授進一步介紹:以人造葉片為核心,同時建立一個廢物處理循環系統,使廢水、廢氣經過藍藻處理變成可再利用的生活用水和新鮮空氣,從而形成一個完全自產自足的太空生存系統。

  據介紹,經過億萬年進化,地球才形成了適宜人類生存的環境。要模仿構建類似地球、如此復雜的自然界生態系統,在小尺度上是難以保持長時間自主循環運行的。“但如果把藍藻大幅度改造,做成人造葉片,可操作性比構建一個生態系統要容易得多”。

  從嚴格意義上講,基于藍藻開發的人造葉片裝置不是生態系統,而是人為可控的裝置,“它在未來太空探索和太空移民初始階段具有方便、高效的優越性。”這種利用合成生物學,以藍藻為核心開發的能量生產、廢物處理、環境改造等多功能的人造葉片裝置,對于我國航天科技和太空探索領域的發展具有重大創新意義和實際價值。

  “如果將來藍藻的產糖量可以進一步提高,人類在太空旅行只需要背著一個背包大小的裝置,就可以維持氧氣和食物供應。”隨著藍藻人造葉片系統研制的日趨成熟,實驗室的蒿飛博士對未來充滿期待。

  他告訴記者,將來,還可以在火星表面建立大量的藍藻人造葉片裝置,改造星球表面的大氣層。同時,利用藍藻的微生物特性,對火星表面的土壤進行改造,再結合人造葉片裝置,在星球表面開發出一片能種植農作物的生產基地,“最終,把火星改造成適宜人類生存的星球”。

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