油菜籽幼苗可以吸收醋酸盐，这是一种简单的有机化合物，可以借助太阳能由二氧化碳和水合成。但到目前为止，只有藻类、可食用酵母和真菌可以利用这样的醋酸盐生长，不需要光和光合作用，而且效率更高。摄影：MARCUS HARLAND-DUNAWAY
撰文：MADELEINE STONE
科幻小说中，未来人类可以生活在火星地下城、挖空的小行星，甚至远离太阳自由漂浮的空间站中。但是，如果人类想要在这些恶劣的外星环境中生存，就需要利用有限的资源来种植食物，但植物所必需的光合作用可能无法进行，这是植物将阳光转化为糖的过程，极其成功但能源效率低下。
现在，一些科学家正研究是否有可能完全跳过光合作用，在黑暗中种植植物，从而更有效地生产食物。
这个想法听起来就像火星上的城市一样科幻。但一个研究小组6月在《自然·食物》发表的一项研究朝着这一目标迈出了第一步。该研究表明，在黑暗中种植藻类、食用酵母和产菇真菌是可能的，方法是用一种名为醋酸盐的碳基化合物来滋养它们，这种化合物并非来自植物，而是利用太阳能生产的。科学家们希望这种“人工光合作用”技术能够开辟出一条新道路，使用比传统农业更少的物理空间和能源来生产食物——也可能包括能在黑暗中生长的作物。
虽然其他专家对是否有可能如此彻底地重新设计植物生物学持怀疑态度，但他们对研究人员发明的技术以及团队如何提高粮食生产效率的创新想法感到兴奋。
“我们必须找到更有效地种植植物的方法，”该研究的合著者、特拉华大学化学和生物分子工程教授焦峰(音译)说。“哪种(解决方案)是最好的?我认为科学的美妙之处在于探索所有的可能性。”
比自然更高效
除了在少数极端环境中，如深海温泉——生物依靠从海底裂缝中涌出的硫化氢所提供的化学能维持——地球上所有的生命都是由太阳提供能量的。甚至像老虎和鲨鱼这样的顶级捕食者也是复杂食物链的一部分，这些食物链可追溯到植物，以及海洋中的微小绿藻。这些所谓的初级生产者拥有一种生物超能力：能够通过光合作用以二氧化碳为原料产生有机碳，这是一个由阳光驱动的生化过程。
研究人员发现，几种产菇真菌(图中的白色部分)可以利用太阳能电解槽中的醋酸盐作为唯一的碳和能量来源生长。通常情况下，这些真菌依赖于植物光合作用产生的有机碳。摄影：ROBERT JINKERSON
然而，正如我们所知，尽管光合作用对生物来说不可或缺，但它的效率并不是很高：落到植物上的阳光中，只有大约1%被捕获并用于制造有机碳。如果人类想在太空中自给自足，那么这种低效率势必会成为一项挑战，因为在太空中，使用尽可能少的资源生产食物是至关重要的。
这也是当今地球需要面对的一个问题，随着人口的增长，农民们要从同样的土地上榨取更多热量。
一些科学家认为，解决方案是对作物进行基因改造，使其更有效地进行光合作用。
这项新研究背后的科研人员提出了一些更不寻常的建议：用部分人工过程来取代生物的光合作用，将阳光转化为食物。他们的处理方法是人工光合作用技术中的一种，这个术语已经存在多年，包含了将阳光、水和二氧化碳转化为液体燃料和化学品（如甲酸盐、甲醇和氢气）的各种方法。研究人员表示，他们的工作是首次将人工光合作用系统与尝试种植常见产粮生物相结合。
人工光合作用系统以电解为基础，或使用电流驱动电解器内的化学反应。在他们最近的研究中，研究人员创建了一个两步太阳能电解槽系统，将二氧化碳和水转化为氧和醋酸盐，一种简单的碳基化合物。
然后，作者将这种醋酸盐喂给莱茵衣藻(一种光合作用的绿藻)。他们还将醋酸盐喂给营养酵母和产菇真菌，这些真菌自身不进行光合作用，但通常需要植物产生的有机碳才能生长。
一种名为衣藻的藻类在黑暗中生长良好，使一个含有醋酸盐的烧瓶变绿(右)，这种藻类通常需要阳光来进行光合作用。对照烧瓶(左)不含醋酸盐。摄影：ELIZABETH HANN
所有这些生物都能够吸收醋酸盐并在黑暗中生长，不依赖阳光或光合作用产生的碳。
与光合作用相比，这一过程效率惊人。通过人工光合作用，绿藻将太阳能转化为生物质的效率是进行生物光合作用的4倍。用这种方法培养的酵母的能源效率几乎是农作物的18倍。
“这是人工途径相对于自然途径的关键优势之一，”焦峰说道。
在黑暗中种植农作物?
科学家们已经知道莱茵衣藻可以在黑暗中靠醋酸盐生长——这种生物是一种混合营养体，这意味着它可以在利用光合作用制造养料或食用其他植物产生的有机碳之间来回切换。但据加州大学河滨分校的资深研究作者Robert Jinkerson称，这是莱茵衣藻第一次在不是来自近期光合作用或石油产品的醋酸盐上生长，而石油产品是古代光合作用的化石遗迹。这一点很重要。
“这是任何光合生物，如研究中的藻类或植物，自进化以来第一次独立于光合作用而生长，” Jinkerson说道。“完全脱离了。”
在无光合作用的情况下成功培育藻类后，研究人员转向了一个更困难的问题：可以种植农作物吗?
生菜可以从醋酸盐中受益，但程度有限。它们的生长过程仍然需要阳光。开发能够在黑暗中生长的作物仍然是一项巨大的技术挑战，可能需要基因工程的支持。摄影：MARCUS HARLAND-DUNAWAY
他们的初步结果令人鼓舞。在黑暗中，研究人员在含有醋酸盐的液体悬浮液中种植生菜组织，证实了它可以吸收和代谢外部提供的碳源。
当他们在阳光下种植整株生菜(以及水稻、油菜籽、番茄和其他几个作物品种)，但给它们添加补充醋酸盐时，他们发现这些植物将醋酸盐吸收到了自己的组织中。在氨基酸和糖类中能追踪到标有重碳同位素（称为C-13）的醋酸盐，这表明植物可以利用它来支持各种代谢过程。
然而，这项研究并没有表明整株植物可以在不接触阳光的情况下完全依靠醋酸盐生长——事实上，研究人员的生菜实验表明，过多的醋酸盐反而会抑制植物生长。Jinkerson说，他的实验室目前正致力于植物基因工程研究及育种，目的是使其对醋酸盐的耐受性更强。这对该团队的人工光合作用技术来说是必要的，以大力支持植物生长和粮食生产。
突破研究所(Breakthrough Institute)的粮食和农业分析师Emma Kovak表示，作者的研究结果代表着“向可能使用醋酸盐帮助进行植物室内生产迈出了第一步”。如果它允许种植者减少室内光照水平，就可以减少运营室内农场所需的能量。但Kovak说，“需要取得巨大的进展”，才能让植物在低光条件下利用醋酸盐茁壮生长。
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)合成生物学博士候选人Evan Groover同意这一观点，他的研究重点是通过基因工程改造植物来改善光合作用。该研究“表明植物可以吸收醋酸盐，但这并不能证明它们真的能靠它茁壮成长，或者有意义地合成养料、营养物质或药物，”Groover说。他说，实现后者将需要“完全重新编码植物”。
与此同时，Groover表示，他发现两位作者的论文“很令人振奋”。
“它向我们展示了在陌生的非地球环境中，或者在无法进行传统耕作的环境中，我们可能能够捕获光和碳的方法。”
深空食物
该技术的首次应用可能是在外星环境中。研究人员向美国宇航局“深空食物挑战赛”提交了人工光合作用这一概念，该挑战赛为那些在长期太空任务中为宇航员提供食物的创新创意团体颁发奖金和表彰。去年秋天，该团队的概念在第一阶段中脱颖而出，成为18个获胜者之一。第二阶段要求这些团队建立一个真正生产食物的原型。获奖者将于明年公布。
在竞赛中获胜并不能保证一种新的食品生产技术将在未来的太空任务中应用。美国宇航局艾姆斯研究中心的高级研究科学家Lynn Rothschild(没有参与这项新研究)表示，首先需要解决许多技术细节。重量是一个关键的考虑因素，因为人工光合作用可能需要将新的设备运送到太空，包括额外的太阳能电池板和电解槽。
但Rothschild表示，想要在太空或地球上重新设计像光合作用这样的基本生物过程，保持开放的心态是值得的：“回报可能是我们无法想象的。”
（译者：陌上花开）
