第一代火星移民可能是这种“返祖”生物 谁让人家能吃呢
6月5日是“世界环境日”，“低碳生活”当然是今天的主题，不过，除了呼吁人们在日常生活中减排，科学家们还做了更多的尝试，比如，让一种微藻逆向进化，吃掉CO2！
（图片来源：veer图库）
CO2：环境变化的重要推手
自1972年6月5日联合国的第一次人类环境会议以来，环境问题越来越受到世界的关注。
北极圈永久冻土的不断消融，骨瘦嶙峋的北极熊，即将消失的马尔代夫，逐渐酸化的海洋……这些环境恶化的初步表象都隐藏着难以估计的后果，而在全球环境变化中二氧化碳（CO2）扮演着举足轻重的角色。
近日，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）莫纳罗亚气象台的传感器监测到一个惊人数据，大气中的CO2浓度已经达到415.26 ppm，远远高于工业革命前的280 ppm。美国国家航空航天局（NASA）数据也显示大气中的CO2含量自工业革命以来发生了显著的提高。
作为主要的温室气体，CO2含量的激增将导致全球气候变化和海洋酸化等重大环境和社会问题。因此，如何减少大气中CO2含量成为了控制环境恶化的重点之一。
图片来源：NASA（https://climate.nasa.gov/evidence/）
微藻：阳光下的“吃”碳主力
在自然界中，CO2的消耗主要通过光合作用完成。然而，受土地面积的限制，树木等陆生高等植物只能缓慢吸收大气中的CO2，其消纳CO2的总量远远低于人类生产活动的排放量。NASA卫星数据显示，虽然过去二十年地球绿化面积持续增加，然而全球气候变暖的脚步却没有变缓。
年平均叶面积指数趋势（10-2m2 / m2 / 10年）（图片来源：Nature）
小知识：地球上绿叶的丰度以阔叶植物的单侧叶面积和针叶植物总针叶面积的二分之一来衡量。年平均绿叶丰度/植被面积代表年平均叶面积指数。绿变（棕色）代表某一地点在数年内的年平均绿叶面积在统计上显著增加（减少）。如上图，全球1/3的植被面积变的更绿了，而5%的植被面积变灰了，这意味着每十年叶面积净增加2.3%。
微藻是一类古老的，在陆地、海洋广泛分布的最低等植物，其光合利用度远远超过同等重量的大型高等植物。它可以直接利用阳光和水将CO2转变成营养品（如人体不可缺少的EPA、DHA，维生素，抗氧化剂，色素等食品添加剂）或者生物燃料（如柴油）。
虽然微藻个体形态微小，但是以微藻为代表的海洋浮游植物每年消耗的CO2占全球CO2固定量的40%，是当之无愧的地球固碳“主力军”。研究表明，每吨微藻生物约可固定2吨CO2，且微藻培养过程可对点源排放的CO2（如火电厂、水泥厂等排放的工业废气）进行利用。
微藻的形态 （图片来源：www.bioindustry.cn）
微藻固碳示意图 （图片来源：中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心）
逆转进化的时钟 吃掉更多CO2
微藻的化石可以追溯到几十亿年前的前寒武纪时期。那时候的地球大气主要成分是CO2，氧气含量极低（还不足现在氧水平的1‰）。微藻的存在为早期的地球提供了能源和氧气。
随着时代的变迁，地球大气中的CO2浓度直线下降，而为了适应当前低CO2的环境，微藻进化出了一套碳浓缩机制（CCM），简单来讲，就是一种提高局部CO2的方法。
CCM机制图 （图片来源：中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心）
光合作用中的固碳过程主要通过卡尔文循环（光合碳循环）实现。在微藻中存在一种蛋白酶，即RuBisCO。在光合作用过程中，RuBisCO能够将CO2固定入卡尔文循环中并最终转换为有机物（三碳糖）。通过CCM，CO2分子能够更多的聚集在RuBisCO周围，从而提高了RuBisCO活性位点周围CO2浓度，最终使微藻能够在低碳环境下进行光合作用。
这就产生一个有趣的疑问，如果我们抑制或破坏微藻的CCM，是否会使微藻恢复原始在高CO2环境下进行光合作用的能力？是否能吃掉更多的CO2？
近期，青岛能源所单细胞中心和德国鲁尔大学（波鸿）的研究人员们在微拟球藻（Nannochloropsis spp.）中证实了这个猜想。微拟球藻是一种单细胞藻类，具有生长速度快、CO2耐受能力强、海水淡水均可培养、遗传操作较完善等突出优点，是一种优良的生物柴油生产藻种。研究人员发现，当通过基因工程手段大幅度降低微拟球藻中一个与CCM相关之关键碳酸酐酶的活性（即抑制CCM）时，工程藻株在高CO2（5%浓度）环境下的生物质产量提高30%以上，而在空气浓度的CO2环境下则丧失了生长优势。
野生菌株和改造藻株在高CO2（5%浓度）环境下生物质产量（WT：野生菌株；M2和M4改造藻株）（图片来源：中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心）
也就是说，微拟球藻体内在高浓度CO2下“吃”CO2的原始能力被重新激发了。恢复原始能力的微拟球藻能更好地利用工业烟道气中高浓度的CO2，完成生物柴油和食用油脂的转化，并释放O2。因此，基于这一“逆进化”的思路改造现有的植物和藻类，将有助于高碳浓度下的CO2固定，从而为缓解温室效应提供一个新思路。（相关论文Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO2 level ，阅读请戳“阅读原文”）
微拟球藻逆进化调控机制图（图片来源：中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心）
未来：或成火星移民新希望
火星是除金星外距离地球最近的行星，它是最有希望实现载人登陆的地外行星，因此作为人类未来移民的首选，火星很可能在未来成为人类的第二故乡。火星大气中95%是CO2，氧气含量极低，对于火星大气的改造是人类登陆火星的前提。
（图片来源：NASA）
返祖的微藻，能够适应较高浓度的CO2环境，同时生产氧气以及油脂，因此，或许可作为第一代火星移民，肩负改造火星大气组成的重任。
参考文献:
1. Chen, C., et al., China and India lead in greening of the world through land-use management. Nature Sustainability, 2019. 2(2): p. 122.
2. Brennan, L. and P. Owende, Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010. 14(2): p. 557-577.
3. Wei, L., et al., Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO2 level. Metabolic Engineering, 2019. 54: p. 96-108.
4. Xin, Y., et al., Biosynthesis of triacylglycerol molecules with a tailored PUFA profile in industrial microalgae. Molecular Plant, 2019. 12(4): p. 474-488.
5. 李延河, et al., 前寒武纪条带状硅铁建造的形成机制与地球早期的大气和海洋. 地质学报, 2010. 84(9): p. 1359-1373.
作者单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
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