几种常见的微藻。图片来源：参考文献 [1]
微藻的前世今生
我们人类只有几百万年的历史，恐龙时代离我们都足够遥远，而微藻却诞生于比恐龙都早得多的 35 亿年前。
那时地球刚刚经历外来天体的撞击高峰而变得满目疮痍，陆地上除了岩石一无所有，大气中没有一丝氧气。
来自海底火山口的微生物扩散到浅海，开始利用照射进水中的阳光作为能量来源，从而演化出最早的放氧光合微藻——蓝藻。
蓝藻通过内共生形成真核微藻。图片来源：参考文献 [2]
另一方面，微藻与陆生植物作为食物链的底层生产者，以自身奉养了众多食草动物和更上层的食肉动物，维持了生态平衡并极大地丰富了地球生物圈的物种多样性。
绿藻登陆并演化为陆生植物。图片来源：参考文献 [3]
正是由于微藻传承下来的光合作用，才有了包括我们人类在内的几乎所有地球生物生存的物质和能量基础，光合作用也被公认为是地球上最重要的化学反应。
从诺贝尔奖设立至今的一百多年里，光合作用相关研究获奖的就有8次之多，足见其受重视程度和其重要作用。
现阶段，微藻和绿色植物的光合效率偏低，导致生物质能在成本上比化石能源和新能源更高。因此，简单高效地提高它们的光合固碳效率，是强化生物质能的市场竞争力的关键。
虽然科学家们对光合作用的具体机理还不甚明了，但可以大致勾勒出其反应历程。对于真核微藻和绿色植物，光合作用在叶绿体中进行，可分为光反应和暗反应两部分。
叶绿体中的光反应与暗反应。图片来源：参考文献 [4]
2023 年，发表在学术期刊《Nature Communications》（自然-通讯）上的一篇论文报道了一种人工强化微藻光合固碳的新策略。
通过在微藻表面自组装上一层可在水中富集二氧化碳的人工材料，可有效地将二氧化碳浓缩到微藻表面，再通过微藻固有的二氧化碳转运机制运输到叶绿体内，显著加速了微藻的光合固碳效率。
人工强化微藻光合固碳策略的原理示意图。图片来源：参考文献 [5]
这就好比在下雨天，一个人张着嘴站在门口，是喝不到多少水的。假如他利用集水装置接满一缸水放在门口，那在很长时间里，他都不会缺水喝了。
这一策略巧妙利用微藻表面组装的人工材料富集二氧化碳，突破了微藻原本只能利用水中溶解的二氧化碳这一瓶颈，从而将微藻的光合固碳速率提高近一倍。不仅在相同的时间内产出更多的生物质供我们利用，也消耗了大气中更多的二氧化碳，助力我们早日实现碳中和的宏伟目标。
结语
在地球的演化过程中，微藻扮演了非常关键的角色，直至今日也在多方面支撑着我们人类的幸福生活。但由于其总体光合效率较低，制约了微藻相关产业的进一步发展。
对此，我们不仅要深入研究自然光合作用的具体调节机制，力争“认识自然”，也要解放思想，跨学科跨领域地寻求改善光合作用的方法，令我们人类社会的发展与大自然的宁静祥和并行不悖。
参考文献
[1] BENEMANN J. Microalgae for Biofuels and Animal Feeds. Energies 2013, 217: 5869-5886.
[2] CLARK D P & PAZDERNIK N J. in Molecular Biology (Second Edition). 2013, 812-853.
[3] DE VRIES J & ARCHIBALD J M. Plant evolution: landmarks on the path to terrestrial life[J]. 2018, 217(4): 1428-1434.
[4] GAN P, LIU F, LI R, et al. Chloroplasts— Beyond Energy Capture and Carbon Fixation: Tuning of Photosynthesis in Response to Chilling Stress. International Journal of Molecular Sciences 2019, 20: 5046.
[5] LI D, DONG H, CAO X, et al. Enhancing photosynthetic CO2 fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa[J]. Nature Communications 2023, 14(1): 5337.
策划制作
作者丨李定颐 李学杨 中国科学院大连化学物理研究所
监制丨中国科普博览
责编丨一诺
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