該實(shí)驗(yàn)主要聚焦于一種特殊的依賴光的酶，它在兩年前首次被發(fā)現(xiàn)。該酶存在于微藻中，具有光為唯一能量來源的特性，它能將脂肪酸脫羧生成烷烴，從而合成生物燃料。

這就是所謂的完全替代型生物燃料，它在功能上相當(dāng)于化石燃料，與社會(huì)上使用的現(xiàn)有石油基礎(chǔ)設(shè)施完全兼容。

研究人員希望通過蛋白質(zhì)工程開發(fā)出這種酶的突變體，以調(diào)整烷烴的個(gè)體產(chǎn)量，創(chuàng)造出不同的系統(tǒng)來制造柴油、汽油或噴氣燃料。

副教授塞林·卡拉(Selin Kara)說:“這個(gè)系統(tǒng)必須非常、非常有效，因?yàn)槿绻覀兿胱尮I(yè)界對這種轉(zhuǎn)變感興趣，就必須生產(chǎn)大量的酶?！?/span>

一旦成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，該技術(shù)將具有巨大的潛力，讓普通汽車也使用上綠色環(huán)保的生物燃料。

所謂光合作用是指植物、藻類和某些細(xì)菌等利用葉綠素，在陽光的作用下，把經(jīng)由氣孔進(jìn)入葉子內(nèi)部的二氧化碳、水或是硫化氫轉(zhuǎn)化為葡萄糖等碳水化合物，同時(shí)釋放氧氣的過程。這一過程的關(guān)鍵參與者是被稱為“細(xì)胞發(fā)電室”的葉綠體。在葉綠體內(nèi)水可被分解成氧氣、質(zhì)子和電子。陽光滲透進(jìn)葉綠體推動(dòng)電子達(dá)到一個(gè)能量水平高位，使蛋白可以迅速地捕獲電子，并在一系列蛋白的傳遞過程中逐步積累電子的能量，直到所有的電子能量在合成糖類時(shí)消耗殆盡。

作為此項(xiàng)研究的主導(dǎo)人員，柳在亨（譯音）表示，他們是首個(gè)從活體植物細(xì)胞中提取電子的研究團(tuán)隊(duì)。研究小組使用了專為探測細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)造而設(shè)計(jì)的一種獨(dú)特的納米金電極。將電極輕輕推進(jìn)海藻細(xì)胞膜，使細(xì)胞膜的封口包裹住電極，并保證海藻細(xì)胞處于存活狀態(tài)。在將電極推入可進(jìn)行光合作用的細(xì)胞時(shí)，電子被陽光激發(fā)并達(dá)到最高能量水平，研究人員就對其進(jìn)行“攔截”：將金電極放置在海藻細(xì)胞的葉綠體內(nèi)，以便快速地“吸出”電子，從而生成微弱的電流?？茖W(xué)家表示，這一發(fā)電過程不會(huì)釋放二氧化碳等常規(guī)副產(chǎn)品，僅會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子和氧氣。

研究人員表示，他們能從單個(gè)細(xì)胞中獲取僅1微微安培的電流，這一電流十分微弱，需要上萬億細(xì)胞進(jìn)行為時(shí)1小時(shí)的光合作用，這只等同于存儲(chǔ)在一節(jié)AA電池中的能量。同時(shí)，由于包裹在電極周圍的細(xì)胞膜發(fā)生破裂或者細(xì)胞遺失原本用于自養(yǎng)的能量，都可能導(dǎo)致海藻細(xì)胞的死亡。因此研究團(tuán)隊(duì)下一步將致力于優(yōu)化目前的電極設(shè)計(jì)，以延長活體細(xì)胞的生命，并將借助具有更大葉綠體、更長存活時(shí)間的植物等進(jìn)行研究。

柳在亨稱，目前研究仍處于初級階段，研究人員正通過單個(gè)海藻細(xì)胞證明是否能獲取大量的電子。他表示，這是潛在的、最清潔的能量生成來源之一，聚集電子發(fā)電的效率也將大大超越燃燒生物燃料所生成的能量，與太陽能電池的發(fā)電效率相當(dāng)，并有望在理論上達(dá)到100%的能量生成效率。但這一方式在經(jīng)濟(jì)上是否合算，還需要進(jìn)一步的探尋。

三年前,“曼哈頓計(jì)劃” 這個(gè)挺唬人的代號(hào)把海藻和原子彈這兩件風(fēng)馬牛不相及的東西生拉硬扯到一起。向海洋藻類要能源，以幫助擺脫嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油的窘境，看來美國人真的急了。的確，生物質(zhì)能源有望解決化石能源短缺和溫室氣體排放等全球性問題。正當(dāng)人們?yōu)樗某杀拘б鏍幷摰妹婕t耳赤時(shí)，斯坦福大學(xué)的研究人員成功地利用海藻活體細(xì)胞產(chǎn)生了電流。

這1微微安培的電流盡管孱弱，但其影響日后也許毫不遜于1945年廣島上空那聲巨響。

“藻”并非一個(gè)生物分類學(xué)上的名稱，事實(shí)上，以它為名的生物囊括了直徑幾微米的原核生物藍(lán)藻、種類繁多的硅藻、真核的綠藻、甚至在海中如花綻開的多細(xì)胞褐藻和紅藻……這些體型差異巨大，橫跨原核到植物多界的生命體，共同點(diǎn)只在于都生活在水中，能利用體內(nèi)的色素體發(fā)生光合作用捕獲太陽能，合成有機(jī)物。

藍(lán)藻，又被稱為“藍(lán)細(xì)菌”，它們因?yàn)轶w內(nèi)的色素與植物略有差異，同時(shí)又沒有葉綠體那樣的細(xì)胞器，色素在體內(nèi)均勻分布，所以經(jīng)常是通體透著幽幽的藍(lán)綠色光芒。這一類原核生物據(jù)信是地球上第一批獲得光合能力的居民。還有人推測，當(dāng)年，一些不能進(jìn)行光合作用的異養(yǎng)細(xì)菌吞噬了藍(lán)藻后消化不良，兩者反而開始和平共處，藍(lán)藻為它的房東提供光合產(chǎn)物做食物，多年之后它們修成正果，進(jìn)化為原始的植物細(xì)胞，為生命在地球的演化揭開了全新篇章。

【念珠藻,藍(lán)藻的一種】

不過藍(lán)藻的功績并未止步于史前時(shí)代，即使是現(xiàn)在，它們也因?yàn)榫哂懈叱墓痰芰Χ鵀楹Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)提供著重要的營養(yǎng)元素。和陸地生態(tài)系統(tǒng)的情況類似，氮的含量制約著海洋生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模，一些遠(yuǎn)洋區(qū)域之所以被稱之為海上荒漠，就是因?yàn)殡y以從陸地或洋流中獲得營養(yǎng)，氮磷元素的匱乏使生命無法安身。藍(lán)藻的這種固氮行為不但為自身生長提供原料，更通過食物鏈支撐著整個(gè)生物群落。

硅藻，包裝在特殊的硅質(zhì)瓣殼中，通體呈金黃色，它們是海洋中最常見的浮游居民。每年春秋溫度略低的時(shí)候，它們開始利用富足的硅和其他養(yǎng)料來繁殖，直到耗盡了硅元素，它們在浮游植物中的主導(dǎo)地位才被取代。有調(diào)查估計(jì)全球一半左右的氧氣是這種小生命通過光合作用生產(chǎn)出來的。

【多種硅藻】

硅藻最令人稱奇的是那一對硅質(zhì)瓣殼，一只硅藻通常標(biāo)配兩塊瓣殼，它倆一大一小相互扣合保護(hù)住細(xì)胞質(zhì)，同時(shí)又保證有充分的光線透過。而每一瓣殼上都會(huì)有放射狀花紋，如果這只硅藻是圓盤狀的小環(huán)藻，那這個(gè)花紋通常呈中心放射狀，如果藻是舟形或是桿狀的，那殼的縱向會(huì)看到一條軸，花紋呈軸對稱分布。分裂繁殖的時(shí)候，上下兩半殼分道揚(yáng)鑣，分裂出的兩只細(xì)胞再分別為它們合成出有著同樣精細(xì)花紋的另一半。這些小玻璃工藝品上漂亮的圖案在普通光學(xué)顯微鏡下并不明顯，但若將光源設(shè)為暗背景，通過多彩的折射光就能看到它們的精巧紋身。

綠藻，這個(gè)門已經(jīng)是真核生物，已可算作植物之列，這其中有單細(xì)胞的微藻，也有多細(xì)胞的大型藻。圖中這只南極衣藻生活在同門難以涉足的低溫環(huán)境中，厚厚的細(xì)胞壁、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜間填充的顆粒物、細(xì)胞中層層的淀粉結(jié)構(gòu)、與常溫品種不同的脂肪酸配比、特殊的蛋白…等等的裝備保證了低溫下能量單元線粒體的正常運(yùn)作和基本結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

【分裂中的微圓星鼓藻】

不過在海岸附近，人類更常見到的是一些多細(xì)胞綠藻，例如偶爾隨水漂來的石莼，和近兩年青島海岸經(jīng)常爆發(fā)的滸苔。這些植物并不具備陸生植物常見的根莖，植物體上的每個(gè)細(xì)胞彼此溝通并不充分，其實(shí)都具備獨(dú)立生存的能力。它們有的能夠形成偽根，有的生著圓盤，那都是因?yàn)椴幌腩嵟媪麟x而進(jìn)化出的固著裝置。

褐藻、紅藻，海帶、紫菜，人類所熟知的，都是可以食用的大型藻類。而圖上的這株墨角藻是個(gè)異類，它體內(nèi)有少量毒素難以消化，好胃口的海洋攝食者們對它沒興趣，同時(shí)，這種沿海褐藻非常適應(yīng)海岸的動(dòng)蕩生活，它細(xì)胞中的氣囊能在潮來時(shí)把葉片帶到水面上完成光合作用，而體內(nèi)的藻酸鹽又能在潮往時(shí)幫它hold住水分，即使烈日暴曬，只要還有十分之一的水分在，它就能在回潮時(shí)重獲新生。海岸雖是人類賞心悅目的美景，于生物卻是嚴(yán)苛的環(huán)境，海陸的變換、潮水的沖擊、還有鹽霧、狂風(fēng)，生存環(huán)境瞬息萬變，墨角藻成了很多小動(dòng)物的庇護(hù)所，它們在退潮時(shí)隱蔽在墨角藻巨大“葉片”遮蔽的綠洲中，同舟共濟(jì)，下一次漲潮時(shí)又分道揚(yáng)鑣。

【墨角藻】

這些大大小小的藻類不單形狀奇特武藝高強(qiáng)，它們其實(shí)一直在用微小的力量刻畫著地球的景觀，只是到近些年，人類才逐漸認(rèn)識(shí)到它們那曲折而深遠(yuǎn)的影響力。

遠(yuǎn)古的一場政變

現(xiàn)今蓬勃而多樣的生物圈，很可能是一場政變的產(chǎn)物，而主角，就是剛才說的，連葉綠體都沒有的藍(lán)藻。早期大氣的主要成分是甲烷、氨氣、氫氣、二氧化碳……這些氣體以還原性為主，并沒有多少氧氣。能夠在當(dāng)時(shí)的大氣環(huán)境中生存的，都是一些化能合成菌，靠吸收甲烷、氨氣合成生命物質(zhì)。藍(lán)藻這種在當(dāng)時(shí)特立獨(dú)行的生物出現(xiàn)之后，開始沐浴陽光吸收二氧化碳，卻釋放出對于其他化能合成菌有毒的氧氣……在藍(lán)藻不遺余力的生存競爭中，大氣環(huán)境由原來的還原性狀態(tài)變成了現(xiàn)在含氧量21%的氧化狀態(tài)。自此，落敗的化能合成菌只能躲在火山口、海洋深處、土壤內(nèi)，過陰暗的生活，而好氧生物占據(jù)了地球各個(gè)圈層的優(yōu)勢地位。

大氣組成的改變是地球化學(xué)成分變化的大事件，更是生命演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盡管很多細(xì)節(jié)現(xiàn)在還沒法證實(shí)，但很多人認(rèn)為，沒有這種代謝方式的轉(zhuǎn)變，高等生命是不會(huì)出現(xiàn)的。

看不見的支撐看得見的

熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、溫帶闊葉林生態(tài)系統(tǒng)……從命名就可以看出，人類對陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者——植物——給予了足夠多的敬意，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)生態(tài)系統(tǒng)存在的基石。但在海洋中，這些微小的生產(chǎn)者們所付出的努力，卻很難為人所見——除非發(fā)生赤潮這樣的大規(guī)模集體暴動(dòng)。

事實(shí)上，據(jù)估計(jì)海洋中90%以上的有機(jī)物由這些默默無聞的微型浮游植物生產(chǎn)制造。而大型藻的海底森林盡管單產(chǎn)能力可以與之媲美，但只適于很小一部分沿岸水域，總產(chǎn)量不能與之相比。這些微型藻散布在全球各處，等待著光照、溶氧、營養(yǎng)鹽同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，條件一旦成熟就大規(guī)模增殖。而在它們周圍，食草生物、捕食食草生物的捕食者、捕食者的捕食者……都在追隨藻類生長的條件。

海洋中的營養(yǎng)傳遞速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地，瞬息萬變的海水環(huán)境容不得生產(chǎn)者慢慢生長漸漸積累營養(yǎng)。微藻們都是機(jī)會(huì)主義者，很少能壽終正寢，它們迅速繁殖，迅速被捕食，營養(yǎng)被迅速地循環(huán)回來，繼續(xù)迅速繁殖……在這種緊張的形勢下，捕食者通過演化證明，盡可能的減少營養(yǎng)級傳遞，直接攝食食物鏈較低層的生物，有可能獲得更多的能量。因而，巨大如鯨鯊、藍(lán)鯨，卻在同沙丁魚、鯡魚一同搶食由藻類供養(yǎng)長大的浮游動(dòng)物，它們只管張著大嘴一路“喝水”，將食物從海水中濾出。

因?yàn)檫@些攝食過程，藻類在水中的總量始終寥寥，并未呈現(xiàn)出陸地生態(tài)系統(tǒng)中那種生產(chǎn)者常見的優(yōu)勢地位。但從動(dòng)態(tài)的角度看，不斷繁殖的藻類其實(shí)是不斷地在為攝食者提供能量，這些微小生命從生到死的迅速循環(huán)支撐了所有我們常見的美麗的海洋生物。

隱形力量形成的陸地

說藻類可以造成滄海桑田的變化一定沒有人相信，但至少在一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成中，藻類功不可沒，那就是珊瑚礁。

【與蟲黃藻共生的尼羅河珊瑚】

造礁的第一主力當(dāng)然是珊瑚蟲，它生活中分泌的副產(chǎn)品碳酸鈣就是珊瑚礁中最致密的基干結(jié)構(gòu)。但如果沒有藻類的幫助，這個(gè)過程將非常緩慢。珊瑚蟲如果能找來蟲黃藻簽訂租房協(xié)議，它的租客可以為它帶來氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，而它只需要提供自己的代謝產(chǎn)物二氧化碳和一個(gè)安定的居所。這種互利共生的關(guān)系可以將造礁的速度提高數(shù)倍，否則，海水的侵蝕速度和珊瑚蟲的造礁速度其實(shí)相當(dāng)，礁石很難長大。

除了蟲黃藻，其他租客也并非對珊瑚蟲全無用處，實(shí)際上珊瑚的各種顏色都來源于共生的藻類，否則它只能有碳酸鈣的慘白色。遺憾的是，隨著全球變暖，大氣中二氧化碳濃度增高，海水pH值也因此降低，這種海水的酸化盡管極其輕微，卻往往會(huì)破壞珊瑚蟲和藻類的租房協(xié)議，它們一旦分道揚(yáng)鑣，白化的珊瑚有可能會(huì)死亡，久而久之，原來已經(jīng)長成的礁體就會(huì)被海膽破壞。
有藻時(shí)的增長，無藻后的消失，便成了珊瑚礁小世界的滄海桑田。

聚沙成塔的色彩

海的主導(dǎo)色是藍(lán)色，而海面上的珊瑚礁、海岸邊的溝邊藻的熒光、海底的藻類森林，都是藍(lán)色海洋的修飾。除此之外，更有一種因藻而起的顏色變化，令人恐懼，那就是赤潮。

【熒光海灘】

赤潮是硅藻和甲藻大規(guī)模爆發(fā)的結(jié)果，這兩種藻因?yàn)楦缓韬腕w內(nèi)色素的差別，顏色并非藍(lán)綠色，而呈棕黃色，當(dāng)數(shù)以億計(jì)的棕黃色藻類聚集在海水中的時(shí)候，便呈現(xiàn)或艷或暗的紅色，仿佛海底在發(fā)生什么大規(guī)模屠殺事件。有人說，《舊約-出埃及記》中埃及人被迫出走前尼羅河的血變之災(zāi)就是最早關(guān)于赤潮的記錄。赤潮的可怕倒并不在于其顏色，而是因?yàn)橐鸪喑钡墓琛⒓自逋鶗?huì)釋放藻毒素，這類神經(jīng)毒素毒性不亞于氰化鉀，所到之處漁業(yè)損失慘重，更有可能進(jìn)一步危害人類身體健康。

普遍認(rèn)為赤潮的一大誘因是人類活動(dòng)向水體排放了大量的營養(yǎng)鹽，造成上述藻類的大量增殖。但它的爆發(fā)與洋流、風(fēng)力、水質(zhì)等因素都有關(guān)系，多年來仍舊難以預(yù)測。與它類似的，就是近年來青島頻頻出現(xiàn)的滸苔爆發(fā)，因?yàn)闈G苔屬于綠藻，所以又被稱為綠潮，好在滸苔并沒有毒素，只是遮蔽了水面的光線和氧交換，對水生生態(tài)系統(tǒng)的危害略小。淡水水體中也同樣存在著這種情況，不過主力是釋放藻毒素的藍(lán)藻，而它爆發(fā)時(shí)水中的粘綠色被稱為水華。嘉年華專題《尷尬的營養(yǎng)盛宴》）。

改變大氣組成、維持生態(tài)系統(tǒng)、造陸、變色……這些地球上最小的生命體用不懈的努力，憑著巨大的數(shù)量，以人類不可見的方式，將自己與這個(gè)星球上最大的棲息地——海洋聯(lián)系了起來。它們作用的方式有的被人類認(rèn)可甚至贊嘆，有的卻引起人類恐慌，而它們并不在意自身行為的任何意義，這些生物只是在有限營養(yǎng)和眾多攝食者的嚴(yán)苛環(huán)境中搜尋一切生存機(jī)會(huì)，伺機(jī)爆發(fā)。

本文發(fā)表于《中國國家地理》