生物混合物助力人类在火星生存

严毅梅

人类如果希望定居火星，就需要在火星上制造大量有机化合物。从地球上运送燃料、药物等有机化合物到火星上，一是很难运过去，二是费用太昂贵了。在火星上，96%的大气是二氧化碳，没有氧气，但是那里有阳光和水，尤其水在极地冰盖中相对丰富，而且火星大部分地区的地下都可能冻结着大量的水。这给在火星上制造有机化合物提供了可能性。

美国加州大学伯克利分校的研究人员对此进行了长时间的研究。在过去的8年里，研究人员一直致力于研究一种混合系统，该系统将细菌和硅半导体纳米线结合在一起，可以捕捉阳光的能量，将二氧化碳和水转化为有机分子的基本成分。这一过程能生成氧气，氧气在火星上可以补充人工大气，模拟地球的氧气环境。这种纳米线只有人类头发直径的百分之一。

对于深空探究任务，人们关心的是有效载荷的质量，而生物系统既有自我繁殖的优势，又不需要依靠火箭发送很多东西。这就是生物混合研究吸引大量科研人员的主要原因。撇开星际移民（定居火星）的考虑，这套系统也可以帮助地球解决能源短缺和二氧化碳排放导致的全球变暖问题。

研究人员发现，这些细菌与纳米线相结合，可使3. 6%的太阳能转换并存储在碳键的碳原子中，并以乙酸盐形式存在。

从燃料、塑料到药物，它们都离不开乙酸盐这种有机分子。

这个系统的工作原理类似于光合作用，植物能自然地将二氧化碳和水转化成碳水化合物——糖。

在这方面，它非常接近最善于将二氧化碳转化为糖的植物——甘蔗，甘蔗的转换效率为4%～5%。因此，研究人员也称这套系统为“人工光合作用”系统。

5年前，研究人员曾推出初级版的纳米线一细菌混合反应器，其太阳能转换效率只有0. 4%左右，这与常见的硅太阳能电池板转换效率20%或更多的典型效率相比，显然很低。如今他们推出了更高效的2.0版，效率大幅度提升。

研究人员最初试图通过在纳米线上填充更多细菌来提高效率，纳米线直接将电子传递给细菌进行化学反应。但是他们发现，这些细菌在产生乙酸的过程中，会降低周围溶液的酸度（pH值）.造成细菌与纳米线分离。

研究人员最终找到了一种方法，让溶液的酸度稍微高一些，以抵消持续产生乙酸所导致的pH值的变化。这使得他们能够将更多细菌塞进纳米线，将效率提高近10倍。

在这个特别的实验中，纳米线只被用作导电导线，而不是太阳能吸收器。外部的太阳能板提供了能量。然而，在真实世界的系统中，纳米线会吸收光线，产生电子，并将它们输送给粘在纳米线上的细菌。就像植物制造糖一样，细菌吸收电子，将二氧化碳分子和水转化成乙酸盐和氧气。

现在，研究人员已经对系统进行了新的调整，例如，在细菌自身的薄膜中嵌入量子点，作为太阳能电池板，吸收阳光，并消除了对纳米线的需求。这些电子细菌也能制造乙酸。

研究人员将继续探索基因工程技术，使细菌更多才多艺，能夠产生多种有机化合物，以满足未来人类在火星上生存的需要。