以绿之名改天换地

张田勘

植物托起全世界

人和动物不吃食物会饿死，但是，只有极少的植物是可以进食的，原因在于两者感知世界和联系万物的生存方式迥然不同。植物的生存方式可以概括为，自己生存也帮助和支撑万物生存，因此，不论动物世界如何进化，托起和创造了整个自然和人类社会的还得靠植物。

植物、海藻和蓝细菌等是自营生物，就是通过自身内部的生命机理和生化机制产生能量供自身消费，而且产生的能量还能供应其他动物，如供给人类水稻、小麦，供给动物以各类果实和树叶等。这一切又是由植物的叶绿体通过光合作用产生的，而光合作用又产生于植物细胞的特殊结构。

植物细胞有细胞壁，动物没有；大部分植物细胞有叶绿体，大部分动物没有；植物细胞有个大的液泡，动物细胞只有小液泡……正是有了这些结构，植物可以通过光合作用将无机物转化成有机物，因为叶绿体能利用太阳的光能，与二氧化碳和水产生反应，制造有机物质如葡萄糖并释放氧气，这个过程就称为光合作用。

动物的生存与植物刚好相反，动物是异营生物，要从外界摄取营养物质，经过消化，分解成小分子物质被细胞吸收，在细胞内进一步降解后转移到线粒体内，经过一系列酶催化的氧化还原反应，产生二氧化碳和水，并释放能量。

正因为如此，绿色植物养活了动物和全世界。首先是，人类和动物吃的食物和果实都是经过光合作用产生的。光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量，能量转换效率约为6%。通过食用，人和动物这些食物链的消费者可以吸收植物所贮存的能量，效率为10%左右。所以，植物是食物链的生产者。

在植物界，有像猪笼草这样可以吃肉的异类，在动物界，也有细胞里含有叶绿体的，如绿叶海蛞蝓。它在幼年时期食用藻类，将叶绿体贮存在细胞内，或者是摄取藻类部分基因，使自身也能产生叶绿体，并通过修补叶绿体的损伤，延长叶绿体的寿命。当它成年后，就会停止进食，依靠叶绿体提供能量，给自己养老送终。

再造自然

既然光合作用和叶绿体有如此大的神通，可不可以创造人造叶绿体来生产和转化人类所需要的有机物呢？经过千百年的探索，科学家终于给出了肯定的回答。

目前，明確做出这种回答的是德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的厄尔布教授和法国波尔多大学的马雷特教授的团队。他们在2020年5月的《科学》杂志上发表了一项研究成果，即一种自动化人造叶绿体组装平台，可以根据人们的需求制造出不同的人造叶绿体，甚至可以根据人类的需求，合成各种不同的有机物，如食物、药物、燃料等。

叶绿体是植物完成光合作用的主要场所，过程分为两个阶段，光反应阶段与暗反应阶段。光反应在叶绿体的类囊体膜结构发生，利用二氧化碳与水在光照条件下为暗反应提供必需物质；暗反应则发生在叶绿体基质中，利用光反应产物可生成葡萄糖，同时完成碳的固定，在向生物供给能量的同时，也将无机物转变成有机物。因此，这是一种同时实现光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等步骤的生物化学反应，也是植物自然演化出的重要生存能力和策略。

厄尔布团队的人造叶绿体在2016年就取得了初步成果。当时，厄尔布等人在德国马克斯？普朗克陆地生物研究所研发了一种人工碳固定装置，通过一系列自然和工程化酶，把二氧化碳转化为有机分子，而且这个反应程序比天然植物固定碳的效率更高。不仅如此，他们另一项突破是，研发了人工叶绿体组装平台，可以自动生产人工叶绿体，同时根据人们的需求添加不同的酶来制备不同功能的人工叶绿体。

显然，这是一种一半天然，一半合成的人造叶绿体。这种人造叶绿体，可以成功还原光合作用的全过程。更重要的是，全新的组装平台生产的人造叶绿体，它们可以彼此独立运行，只要随意改造这些人工叶绿体，就能满足不同的需求，生产出人们所需要的种种有机物。

改造火星的先遣部队

不过，这种半自然和半人造的人造叶绿体运行还不是太稳定，因为人造叶绿体中的叶绿体膜运转几个小时就会降解，使得人造叶绿体的使用受到限制。而且，要从菠菜中提取的叶绿体膜比较耗时，因此，下一个目标是研发人造叶绿体膜来取代菠菜的叶绿体膜，形成真正意义上的完全的人造叶绿体。

即便如此，这种半自然半人造的叶绿体也体现了潜在的巨大价值，因为可以通过添加一些特殊的蛋白质和酶来维持这个系统的稳定。当这种人造叶绿体能持续运转时，首先可以吸收和固化现在全球因使用化石燃料排放到自然中的大量的二氧化碳，从而放缓全球气候变暖，甚至扭转全球变暖的不利局面。换句话说，人造叶绿体可以帮助实现“碳中和”，也称为二氧化碳净零排放，是指在全球范围的一定时期内，人为二氧化碳移除抵消人为二氧化碳排放。

厄尔布团队证明，他们研发的人造叶绿体吸收二氧化碳的速度，比之前合成生物学的方法快了100倍，甚至比自然绿色植物吸收和固化二氧化碳的速度快。自然界的光合作用是地球上最主要的二氧化碳固定方法，植物、可光合作用的微生物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳的速率，与通过生物的呼吸作用把二氧化碳释放到大气中的速率基本相等，因此大气中二氧化碳的含量在受到人类活动干扰以前是基本稳定的。

不过，自从工业革命以来，化石燃料的大量使用使得二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%，因此大气中二氧化碳浓度逐渐升高，破坏了自然界原有的碳平衡，并导致气候异常。但是随着化石燃料的消耗量激增，自然界的光合作用已经无法及时将过多的二氧化碳固定，人工固碳将成为解决碳排放的一条出路。

如果厄尔布团队研发的人造叶绿体能批量生产并在化石燃料使用较多的国家广泛布置，哪怕是等同于自然绿色植物的碳吸收和固化速度，也会帮助人类实现碳中和。一方面，燃烧化石燃料是产生“碳源”，而森林、泥炭沼泽、土壤等能够吸收储存空气中的二氧化碳，也即“碳汇”。人造叶绿体能够吸收和固化一部分二氧化碳，也是碳汇的一部分，因此可以为缓减全球变暖做贡献。

不仅于此，如果打开脑洞，人造叶绿体甚至可以改造整个星球。

在移民火星计划上，特斯拉CEO马斯克是认真的，他愿意将自己一半的财富用于在火星上建造城市，“以确保生命的延续，以防地球受到恐龙袭击、世界大战或流星撞击等导致的人类毁灭。”

但是，火星上的主要气体是二氧化碳，并不适宜人类居住，为此必须改造火星环境。一个可能的计划是，在火星上绿化，通过绿色植物产生大量的氧气供移民火星的人呼吸。而普通植物，显然不能适应改造初期的火星，此时如果把人造叶绿体带上火星，并用人工手段加强其生存能力，让它成为改造火星的先遣部队，这样一来，人类在火星生存所需的空气和食物就都解决了，移民火星也不再是件难事。