實驗表明，在沒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。

科幻小說想象未來的人們生活在火星的地下城市、挖空的小行星和遠(yuǎn)離太陽的自由漂浮空間站。但是，如果人類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，即植物將陽光轉(zhuǎn)化為糖的非常成功但能源效率低下的過程，可能不會減少它.

現(xiàn)在，一些科學(xué)家想知道是否可以通過完全跳過光合作用并在黑暗中種植植物來更有效地生產(chǎn)食物。

這個想法聽起來就像火星上的城市一樣科幻。但是，一組外國研究人員已發(fā)表了一項研究，朝著實現(xiàn)這一目標(biāo)邁出了第一步。研究表明，可以在黑暗中生長藻類、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，這種化合物不是來自植物，而是使用太陽能制造的。科學(xué)家們希望這種方法，一種“人工光合作用”，可以開辟新的方法來生產(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的作物。

雖然其他專家懷疑是否有可能如此徹底地重新設(shè)計植物生物學(xué)，但他們對研究人員發(fā)明的技術(shù)以及團(tuán)隊關(guān)于如何提高食品生產(chǎn)效率的開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提供燃料。即使是像老虎和鯊魚這樣的頂級捕食者，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。這些所謂的初級生產(chǎn)者具有生物超能力：通過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光驅(qū)動的生化過程。

但是，盡管光合作用對我們所知的生命至關(guān)重要，但它的效率并不高：實際上只有大約百分之一的落在植物上的陽光被捕獲并用于制造有機(jī)碳。如果人類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，這也是當(dāng)今地球上的一個問題，這給農(nóng)民帶來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，解決方案是對作物進(jìn)行基因工程，以更有效地進(jìn)行光合作用。這項新研究背后的研究人員提出了一些更不尋常的建議：用部分人工的過程代替生物光合作用，將陽光轉(zhuǎn)化為食物。他們的過程是人工光合作用的一個版本，這個術(shù)語已經(jīng)存在多年，包括將陽光、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，或使用電流在稱為電解器的設(shè)備內(nèi)驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。在他們最近的研究中，研究人員創(chuàng)建了一個兩步太陽能電解系統(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養(yǎng)酵母和產(chǎn)蘑菇的真菌——它們自身不會進(jìn)行光合作用，但通常需要植物制造的有機(jī)碳才能生長。

所有這些生物都能夠吸收醋酸鹽并在黑暗中生長——獨(dú)立于陽光或光合作用衍生的碳。

與光合作用相比，這個過程出奇地高效。使用人工光合作用，綠藻可以將太陽能轉(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)勢之一。

在黑暗中種植農(nóng)作物？

科學(xué)家們已經(jīng)知道藻類 萊茵衣藻可以在黑暗中在醋酸鹽上生長——這種生物體是一種混合營養(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，證實它可以吸收和代謝外部供應(yīng)的碳源。

當(dāng)他們在光照下種植整株萵苣（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，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（稱為碳 13）的乙酸鹽可以追溯到氨基酸和糖類中，這表明植物可以使用它來支持各種代謝過程。

然而，這項研究并沒有表明整株植物可以在沒有陽光的情況下完全在醋酸鹽上生長——事實上，研究人員對生菜的實驗表明，過多的醋酸鹽實際上會抑制植物生長。實驗室目前正在研究基因工程和培育植物，以提高對醋酸鹽的耐受性。這對于團(tuán)隊的人工光合作用方法以顯著方式支持植物生長和糧食生產(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進(jìn)入深空的重要技術(shù)，可以研究深空食物，人類在未來的太空飛行任務(wù)中會用到。雖許多技術(shù)細(xì)節(jié)需要首先解決，重量是一個關(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)計光合作用等基本生物過程的任何努力都會改變?nèi)祟惖纳娣绞健?/p>