陶飞：生命的开路先锋蓝细菌︱大家
陶飞
上海交通大学生命科学技术学院研究员
蓝细菌是什么？
说起蓝细菌你也许会感觉有点神秘，但是“日出江花红胜火，春来江水绿如蓝”这两句诗，相信你一定耳熟能详。
这首诗所描绘的正是我们日常生活中可以观察到的常见现象。每逢春天到来，江水会由冬天的清澈见底逐渐变成偏绿的颜色，孕育生机与活力。
这一现象主要是由春天温度升高促使藻类在水里大量繁殖造成的，这些藻类主要是蓝细菌。它是一种单细胞的微生物，大小只有几微米，有些蓝细菌分裂后不分开，可以形成丝状。可是，千万不要小看这种小小的生物，我们呼吸的氧气有30%都是它们制造的，它曾经改变过地球，也将改变我们的生活，将来甚至有可能帮助我们把火星改造得适宜居住。
丝状蓝细菌显微照片
蓝细菌的历史
在很久以前，地球并不是我们当前所熟悉的样子，或者说和我们现在的环境是大相径庭的。就以我们每天呼吸所必需的氧气来说，在远古的地球上是没有的。这个无氧的状况在地质历史上持续了20多亿年，直到蓝细菌的出现才得以改变。
我们知道地球大概诞生在46亿年前，目前发现最早的生命迹象的证据在43～37亿年前，一开始出现的生命是异养的，不能光合作用产生有机物，必须吃外来的有机物才能活下去。
据科学家考证，蓝细菌诞生的证据最早可以追溯到35亿年。但是蓝细菌并不是一出现就立马改变了大气环境，它还需要经过漫长时间进化以适应地球环境和大量繁殖。
科学家推测空气中氧气的积累是两方面的原因共同起作用，一方面由于蓝细菌的大量繁殖造成氧气生产速率加快，另一方面由于产甲烷菌的减少导致氧气的消耗速率下降。这两个原因共同导致了空气中氧气的大量积累，也就是大氧化事件的发生，时间大约在24亿年前。
空气中氧气含量的上升是动物等高等生物出现的必要基础。换言之，蓝细菌对大气环境的改造为后来多种多样的需氧生物出现创造了条件。从这个意义上说，蓝细菌是当之无愧的生命先锋。
蓝细菌的分布
在漫长的地质进化中，蓝细菌已经进化出非常强大的适应能力，不过这种适应能力并不是说任意的一种蓝细菌都可以适应地球上各种各样的不同环境，而是通过物种多样性体现的。
现在蓝细菌几乎分布在地球的每个角落和每一种特殊的环境中，比如海洋、淡水、潮湿的土壤、沙漠中临时湿润的岩石、裸露的岩石和土壤，甚至于南极的岩石上。
它们常常以浮游的形式存在于海洋和淡水的河流和湖泊中，或者很多蓝细菌聚集在一起形成一层可以光合作用的光合菌膜存在于各种表面。
我们可以在石内的生态系统中经常看见它们的踪迹，也能在地衣、植物、原生生物或者海绵中发现它们，它们可以为其宿主提供能量。我们甚至于可以发现有些蓝细菌生活在动物的皮毛中，比如树懒的皮毛中就有大量蓝细菌，这可以为树懒提供保护性伪装。
星际旅行和火星移民
相信了解了蓝细菌的历史和生存环境之后，你一定对蓝细菌刮目相看了吧。我们不妨把视野放得再远一点，考虑一下人类的未来和宇宙移民问题。
火星是离我们最近的类地行星，有水，有大气，但是却没有氧气。火星大气中超过95.3%都是二氧化碳，还有2.7%是氮气。如果我们能在火星培养蓝细菌，那就可以利用太阳光、水、二氧化碳让蓝细菌生存并产生大量氧气。
有科学家已经成功模拟火星环境进行了蓝细菌的培养，这证明了利用蓝细菌改造火星大气的可能性。当然，真要在火星上种植蓝细菌，还需要做很多的研究，但是我们不难想象，如果这一技术真的成功了，很快我们就能拥有另外一个地球了，那真是一件令人期待的事。
当然了，如果你觉得改造星球这个工程太过浩大，其实我们也可以利用蓝细菌做一些“小工程”。比如，在载人航天器中，宇航员呼吸所需的氧气循环再生工程。
现在，解决载人航天器的氧气供给问题的方法之一是直接从地球通过运载火箭运送，代价非常高昂，而且如果距离地球太远了，从地球输送就根本不可能了。
另外一种方法是用电解水来生产氧气，这种方法会消耗大量的水，水在航空器中也是非常宝贵的，电解水产生的氢气也无法利用只能丢弃在太空中。这两种方法都不是循环再生的方法。
我们都知道蓝细菌可以通过消耗二氧化碳合成氧气，同时还能够合成有机物。如果我们对蓝细菌进行合适的改造，就可以在密闭的航空器空间中构建出蓝细菌和宇航员形成的小型生态系统，它可以无限地自我循环，既能生产宇航员所需的氧气，又可为宇航员提供高质量的蛋白质食品或者药品。
当然要实现这一点还需要对蓝细菌进行很多的设计和改造，首要的是要大幅度提高蓝细菌的效率。如果这一技术将来成功了，我们的天和号的运营成本就可以大幅度降低了。
未来食品
蓝细菌这个古老又年轻的生命并不是只能用来改造火星和星际旅行，实际上它已经走进了我们的生活。
比如大家所熟知的螺旋藻就是蓝细菌的一种。它是自然界营养成分最丰富、最全面的生物，富含高质量的蛋白质、γ-亚麻酸等脂肪酸、类胡萝卜素、维生素，以及多种微量元素如铁、碘、硒、锌等，已经成为一种重要的绿色营养品。
蓝细菌直接利用二氧化碳和光能来合成有机物，用它来进行食品生产可以不受土地的限制，能在反应器中进行，几乎可以放大到你能想到的任何规模。光能也可以用电能转化而来，这样就可以使食品生产彻底摆脱对土地和气候的依赖。
我们还可以用现代生物技术对蓝细菌进行改造，从而定制生产出我们需要的功能化和个性化的食品，比如可以为糖尿病人生产不含淀粉的食品等。
用蓝细菌作为基础进行食品生产将是未来食品生物技术的一个重要发展方向。
蓝细菌细胞工厂
蓝细菌细胞工厂合成植物天然产物概念图
当然，蓝细菌的现实用途绝不会仅是生产食品这一条。现在，蓝细菌是一种非常热门的底盘生物，科学家可以对它进行改造，让它生产人们所需的各种各样的有用物质。
比如可以通过改造蓝细菌让它生产发动机的燃料，用于替代化石来源的汽油、柴油、航空煤油等。
也可以用蓝细菌来生产可降解塑料PHB等，用于替代石油化工合成的塑料。这种塑料性能优良，避免了化石资源开采使用的污染问题，而且可以被微生物降解，不会形成白色污染。
我们还可以用它来生产各种功能的蛋白质、植物天然产物、药物等高价值的产品。
我们通过对蓝细菌的改造，仅使用阳光和二氧化碳就能生产出各种各样的植物天然产物。这些产物大都具有生物活性，有的是非常重要的药物。用蓝细菌生产这些产品，就可以免除对珍贵植物资源的开采，节约大量用于药材种植的土地。
环境治理
作为一种先锋生命，改造和修复环境也是蓝细菌擅长的工作。
环境问题是当前人类面临的最重要的挑战之一。可以说没有好的环境，人类的健康就无从谈起。高效的环境处理技术是建立健康环境的关键。蓝细菌的适应能力、代谢能力和一些独特性质为我们提供了开发这种技术的可能性。
比如，蓝细菌的细胞外面常常会有一层黏黏的多糖类物质，这些物质是吸附重金属的绝好材料。因此，已经有很多科学家尝试用蓝细菌来处理重金属污染，特别是放射性金属的污染。
也有不少科学家尝试用蓝细菌来处理石油污染和杀虫剂污染等。用蓝细菌开发的修复剂的主要成分是蓝细菌细胞，它本身就来自于自然界，不会像化学药剂一样对环境造成二次污染，具有环境友好、成本低等特点，被认为是潜力巨大的下一代修复技术。
可以预期，随着研究的深入和新技术的发展，未来蓝细菌一定会带给我们一个更加健康优美的环境。
·本文选自《世界科学》杂志2021年第7期“大家·科技前沿”栏目·
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