吃的是气,吐的是糖,最新黑科技让细菌变身“二氧化碳收割机”

生命的表象是多元的,生命的本质却是统一的。地球上所有生物的生命过程,都直接或间接的参与固碳反应(carbonfixation):植物、藻类和某些细菌从环境中汲取二氧化碳与太阳能(或其他能量),合成生命所需的糖类。高等生物则相反:从植物或微生物摄入糖分,排出二氧化碳。高等生物自以为站在食物链顶端,但在自然法则里,并无高下之分,它们不过是异养生物。人类也一样,作为异养生物,不能直接参与固碳反应,只能从其它生物中获取现成的糖分。

吃的是气,吐的是糖,最新黑科技让细菌变身“二氧化碳收割机”

那么,高等生物有没有可能“自给自足”?也就是说重新编辑异养生物,使它们可以从环境中吸收二氧化碳并合成糖分供自己消耗?科学家的脑洞总是足够大,在魏茨曼科学研究所(WeizmannInstitute of Science)罗恩·米罗(Ron Milo)教授的实验室中,尼瓦·安东诺维斯基(Niv Antonovsky)博士正在进行该项研究。目前,全球人口在增加,而可耕种土地却在锐减。尼瓦认为,固碳技术可以帮我们应对未来的环境挑战。

研究人员将固定碳与合成糖的代谢通路信号插入到大肠杆菌。因为大肠杆菌属于吸收糖分的“消费者”,所以它是理想的实验对象。

碳固定的代谢通路信号已经广为人知了,米罗的研究小组认为,如果设计得当就可以将碳固定基因加入到大肠杆菌的染色体组内。而固碳反应的关键代谢产物1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCO)对大肠杆菌是有毒的,所以在设计过程中,必须同时精确限制某些基因的表达。

在某些方面,米罗的研究小组深思熟虑的计划还是很成功的:大肠杆菌合成了有效的固碳酶。但是从实验整体来讲,并没有达到预期目标。虽然固碳基因有效表达了,但大肠杆菌并不合成糖类,还是从外部摄取糖分以维持生存。“这很正常,因为数百万年来大肠杆菌都是食糖生物,想让它们突然吸收二氧化碳很困难。”安东诺维斯基说,“所以我们转向进化的方法来创造理想的系统。”

之后,米罗、安东诺维斯基和研究团队设计了一个“恒化器”(chemostats)。他们在恒化器中培育了大肠杆菌,逐步吸引细菌对二氧化碳的“食欲”。起初,研究人员在恒化器中加入大量二氧化碳和丙酮酸(能量源),同时还添加了少量糖类来维持细菌的生命。科学家希望通过改变大肠杆菌的生存环境迫使它们适应新环境,学会利用环境中的有限资源。

一个月过去了,实验并没有什么进展,大肠杆菌的“悟性”似乎不太高。一个半月之后,一些大肠杆菌开始有点“参透”生存的机密了。到了第三个月,科学家决定给大肠杆菌“断奶”,他们把大肠杆菌放到只有二氧化碳和丙酮酸的环境中。研究人员对空气中的二氧化碳进行同位素示踪,结果显示细菌已经利用二氧化碳合成机体的重要组成部分了,包括构成细胞的所有糖类成分。

之后科学家对进化细菌的基因进行了测序,发现它们的染色体发生了很多变化。“这和我们预期的结果大相径庭,”米罗说,“我们花了两年时间去搞懂哪些变化是必要的,同时破解了细菌的进化‘逻辑’。”科学家又花了几个月重复实验,终于发现了将“食糖”细菌转变为“食碳”细菌所需的“必要突变”。

米罗说:“大肠杆菌的基因重组实验可以作为参考,帮助科学家进一步实现高等生物固碳能力。”当然,目前的大肠杆菌还是吃进去的是糖,吐出来的是二氧化碳,但米罗的研究团队设想,在可预见的未来可以将团队的实验方法应用于微生物,使它们可以利用二氧化碳储存能量,或者可以利用该方法增强农作物的固碳能力,提高作物产量。

果真如此,全球食物问题必将得到极大改善。

植物有被抢饭碗的风险,不知道它们有没有压力。

来源:Weizmann Institute of Science
编译:孙小彪 DeepTech深科技(微信号:mit-tr)

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  1. 大肠杆菌的基因重组实验可以作为参考,帮助科学家进一步实现高等生物固碳能力。”当然,目前的大肠杆菌还是吃进去的是糖,吐出来的是二氧化碳,但米罗的研究团队设想,在可预见的未来可以将团队的实验方法应用于微生物,使它们可以利用二氧化碳储存能量,或者可以利用该方法增强农作物的固碳能力,提高作物产量。

  2. 动物在进化策略中,不采用光合作用作为能量来源的一个非常重要的原因,就是光合作用积累的能量太少了。那么究竟积累的能量是多少呢?假设一个动物可以通过进行光合作用来获取能量,这个动物受光照的皮肤面积为 1 平方米的话(够大的吧?),来做个简单的计算。在地球表面最多 1 平方米接收到的太阳能(可见光部分)为 445 瓦 。光合作用的能量转化效率非常低,一般来说,最多大约为 6% 。我们来把一小时光合作用转化的能量换算为多少质量的脂肪来看看。一个小时转化的能量仅相当于 2.6 克的脂肪 。这就意味着,这个动物需要一动不动地趴在阳光下一个小时才能转化大约相当于 2.6 克脂肪的能量。可以看出,转化的脂肪远远达不到动物所需的要求。哦对了,叶绿素只能转化红光和蓝紫光,在刚才的计算里我们用的是整个可见光的能量。也就是说,实际上产生的能量要比 2.6 克脂肪要少得多。

    上面说明了为什么动物不采用光合作用作为主要能量来源的原因。不过诸位先生的答案均没有说明这个问题:如果一个动物主要靠异养来获取养分、能量,但保留了光合作用能力,为什么竞争不过纯粹的异养动物?想像要是有一种人,有着和常人一样的消化系统,其他器官也和常人差不多,但皮肤细胞有叶绿体,可以通过光合作用合成养分,那么他和我们现在这些人比起来又有什么劣势?<删除>要知道,动物起源于像眼虫、草履虫这些单细胞动物,它们大多有叶绿素,可以通过光合作用来合成养分。但为什么在进化过程中,叶绿素逐渐从动物上消失了呢?<删除完> *

    说一下我的看法。我认为最主要的原因,在 @秋水 答案的评论部分中提到了,就是光合作用需要消耗大量水分来合成碳水化合物。这一点非常不利于陆生生物的生存。在 @秋水 答案中提到的可以通过光合作用合成养分的动物,皆为水生生物,从某种角度上来说证实了这个说法。那么,对于水生生物来说,为什么大多数也不能进行光合作用呢。一个可能的原因是,需要消耗能量额外为光合作用提供水分,对动物的个体是得不偿失的,特别是随着生物演化变大,生物体表面积与体重的比值越来越小的时候。

    因为动物细胞没有叶绿体,没有进行光合作用的场所。当然,许多原核生物同样没有叶绿体这一细胞器。但由于自身具有可以进行光合作用的色素以及酶系,在自身的膜结构表面可以进行光合作用,当然这种光合作用的效率就低了很多了。而对于你的问题而言,动物更好的说法是异养生物。这是一个极为复杂的问题,而且至今应该都还有很大的争议。个人认为,简单的来说这是两种不同的生存模式,本质都是为了传递遗传信息,并无高下之分。在存在自养生物这个能量来源地情况下,异养生物可以较容易的获取营养物质,并可以大大的扩展自生的生存环境,并从而获得更多的生存机会。而且对于常见的异养生物,比如各种动物来说,体表面积实在是太小了。而光线尤其是为光合作用提供能量来源的蓝紫光对组织的透过性实在是很差的。即便可以进行光合作用产能,这点也绝对不够动物维持基本生理指标的。与其多此一举,不如好好专攻异养。

    线粒体真核细胞和叶绿体真核细胞的进化路线是相对独立的。人类和动物更大的可能是祖先(细菌级的祖先)早期从来就没有经过一个吞噬同化叶绿体的过程。同时拥有线粒体和叶绿体的生物主要是菌类,即从光和作用中获取养分,也如同我们消化食物一样消化周围环境的腐物。生物进化本身的过程并没有“设计”的因素在里面,我们之所以生存不代表我们的机理就是对于周围环境的“最优解”,只是一个能适应的解罢了,所以也无所谓的竞争优势。说不定换个环境蘑菇进化成智能生物了,每天吃马里奥变大去打怪兽。

    松鼠what if里面讲过一个类似的案例科学松鼠会

    如果奶牛可以进行光合作用的话,它们能少吃多少食物?
    从某种程度上来说,它们已经在“光合”了。牧草在地上不断吸收来自太阳的能量,以化学能的方式储存起来。之后食草动物就能过来在几分钟内吸收掉积累了几个星期的能量。

    一头站姿恰当的娟姗牛大概有两平方米的有效受光面积。(奶牛可能需要经过训练才能站立成最佳受光姿态,不过我们也许不需要花费太多的力气来训练它们;研究表明它们已经能够自动以南北朝向排列)
    叶绿素大概会吸收阳光总能量的3%-6%。假设每天奶牛能得到相当于6个小时的正午光照,那光合作用每天吸收的有效能量还不到200万焦耳。

    这些能量多吗?呃,一头在牧场上到处晃悠的450公斤重的奶牛每天可能要吃掉的东西换算成干重约有10公斤,吸收大约5000万焦耳的代谢能。所以光合作用吸收的能量仅占所需摄入能量的4%——也就能省下几把谷子吧。

  3. 动物在进化策略中,不采用光合作用作为能量来源的一个非常重要的原因,就是光合作用积累的能量太少了。那么究竟积累的能量是多少呢?假设一个动物可以通过进行光合作用来获取能量,这个动物受光照的皮肤面积为 1 平方米的话(够大的吧?),来做个简单的计算。在地球表面最多 1 平方米接收到的太阳能(可见光部分)为 445 瓦 。光合作用的能量转化效率非常低,一般来说,最多大约为 6% 。我们来把一小时光合作用转化的能量换算为多少质量的脂肪来看看。一个小时转化的能量仅相当于 2.6 克的脂肪 。这就意味着,这个动物需要一动不动地趴在阳光下一个小时才能转化大约相当于 2.6 克脂肪的能量。可以看出,转化的脂肪远远达不到动物所需的要求。哦对了,叶绿素只能转化红光和蓝紫光,在刚才的计算里我们用的是整个可见光的能量。也就是说,实际上产生的能量要比 2.6 克脂肪要少得多。

    上面说明了为什么动物不采用光合作用作为主要能量来源的原因。不过诸位先生的答案均没有说明这个问题:如果一个动物主要靠异养来获取养分、能量,但保留了光合作用能力,为什么竞争不过纯粹的异养动物?想像要是有一种人,有着和常人一样的消化系统,其他器官也和常人差不多,但皮肤细胞有叶绿体,可以通过光合作用合成养分,那么他和我们现在这些人比起来又有什么劣势?<删除>要知道,动物起源于像眼虫、草履虫这些单细胞动物,它们大多有叶绿素,可以通过光合作用来合成养分。但为什么在进化过程中,叶绿素逐渐从动物上消失了呢?<删除完> *

    说一下我的看法。我认为最主要的原因,在 @秋水 答案的评论部分中提到了,就是光合作用需要消耗大量水分来合成碳水化合物。这一点非常不利于陆生生物的生存。在 @秋水 答案中提到的可以通过光合作用合成养分的动物,皆为水生生物,从某种角度上来说证实了这个说法。那么,对于水生生物来说,为什么大多数也不能进行光合作用呢。一个可能的原因是,需要消耗能量额外为光合作用提供水分,对动物的个体是得不偿失的,特别是随着生物演化变大,生物体表面积与体重的比值越来越小的时候。

    因为动物细胞没有叶绿体,没有进行光合作用的场所。当然,许多原核生物同样没有叶绿体这一细胞器。但由于自身具有可以进行光合作用的色素以及酶系,在自身的膜结构表面可以进行光合作用,当然这种光合作用的效率就低了很多了。而对于你的问题而言,动物更好的说法是异养生物。这是一个极为复杂的问题,而且至今应该都还有很大的争议。个人认为,简单的来说这是两种不同的生存模式,本质都是为了传递遗传信息,并无高下之分。在存在自养生物这个能量来源地情况下,异养生物可以较容易的获取营养物质,并可以大大的扩展自生的生存环境,并从而获得更多的生存机会。而且对于常见的异养生物,比如各种动物来说,体表面积实在是太小了。而光线尤其是为光合作用提供能量来源的蓝紫光对组织的透过性实在是很差的。即便可以进行光合作用产能,这点也绝对不够动物维持基本生理指标的。与其多此一举,不如好好专攻异养。

    线粒体真核细胞和叶绿体真核细胞的进化路线是相对独立的。人类和动物更大的可能是祖先(细菌级的祖先)早期从来就没有经过一个吞噬同化叶绿体的过程。同时拥有线粒体和叶绿体的生物主要是菌类,即从光和作用中获取养分,也如同我们消化食物一样消化周围环境的腐物。生物进化本身的过程并没有“设计”的因素在里面,我们之所以生存不代表我们的机理就是对于周围环境的“最优解”,只是一个能适应的解罢了,所以也无所谓的竞争优势。说不定换个环境蘑菇进化成智能生物了,每天吃马里奥变大去打怪兽。

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    如果奶牛可以进行光合作用的话,它们能少吃多少食物?
    从某种程度上来说,它们已经在“光合”了。牧草在地上不断吸收来自太阳的能量,以化学能的方式储存起来。之后食草动物就能过来在几分钟内吸收掉积累了几个星期的能量。

    一头站姿恰当的娟姗牛大概有两平方米的有效受光面积。(奶牛可能需要经过训练才能站立成最佳受光姿态,不过我们也许不需要花费太多的力气来训练它们;研究表明它们已经能够自动以南北朝向排列)
    叶绿素大概会吸收阳光总能量的3%-6%。假设每天奶牛能得到相当于6个小时的正午光照,那光合作用每天吸收的有效能量还不到200万焦耳。

    这些能量多吗?呃,一头在牧场上到处晃悠的450公斤重的奶牛每天可能要吃掉的东西换算成干重约有10公斤,吸收大约5000万焦耳的代谢能。所以光合作用吸收的能量仅占所需摄入能量的4%——也就能省下几把谷子吧。