杨文强：藻类——人类默默的守卫者 走进藻类的世界

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第51期演讲在北京举行。来自中国科学院植物研究所 国家植物园研究员杨文强出席，并以《藻类——人类默默的守卫者 走进藻类的世界》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　我给大家带来的故事是关于藻类的一个故事，想讲讲藻类怎么守护着我们，怎么是人类的伟大的一个工程？我想问大家一个问题，大家知道我们呼吸的氧气是哪来的吗？很多朋友都知道我们呼吸的氧气是光合作用的结果。那么很多人认为是我们陆地上的植物，包括森林等的植物，贡献了我们绝大多数的氧气，但实际上不是，实际上是藻类的贡献了我们氧气的50%，甚至有的科学家提出藻类提供了人类80~90%的氧气，同时利用这些氧气可以形成臭氧层，保护我们的免受紫外线的伤害。

　　从这一点上来讲，藻类是非常伟大的。我们知道地球出现是在46亿年前左右，我们有生命出现是在37~35亿年前，我们有蓝藻出现的时候是在33~32亿年，单细胞真核的绿藻出现是在15~14亿年，紧接着出现了多细胞和大型藻类，这个时间跨度稍微长一点，紧接发生了一个很重要的事件，就是植物登陆，从水中到了陆地上，植物和藻类分家大概是在4亿年左右，那么相继出现了苔藓、蕨类，裸子，被子植物。

　　我们原始人类出现大概是在500万年前，所以说相对我们藻类的出现，我们人类的出现太晚了，正是因为藻类的出现，它改变了我们地球的状态。我们知道地球上是充斥着很多的二氧化碳，由于藻类等耗氧生物的大爆发以后，它进行了疯狂的光合作用，释放了大量的氧气，然后把空气中的二氧化碳浓度降低到我们现在300~350个ppm同时提高我们的氧气，到目前为止有21%的这样的浓度，所以藻类是非常伟大的。

　　藻类在登陆了以后才有了更多种的植物，才有了我们生物多样性，才有了人类的进化，才有了我们现在的大千世界。你所见到的海洋里面美丽的珊瑚等等，这些都是藻类的贡献。所以我们讲藻类也是海洋生态系统和生物群落的基石，那么说没有藻类的话，可想而知是非常可怕的。

　　那么藻类的生活环境是非常多种多样的，你可以想象到藻类绝大部分生活在海洋中，生活在湖泊中，生活在土壤中，生活在沼泽中。还有很多藻类特别喜欢生活在一些极端的环境里，比如说高原的环境，深海的环境，冰川里、雪山里、沙漠里、温泉里，极酸的或极碱的环境，这些为我们提供了宝贵的财富。

　　藻类确确实实是在衣食住行等各个方面守护并保卫着我们，比如说我们用的能源，化石能源里的石油，还有我们的天然气，它们竟然来源于古代的藻类，也可以讲是我们的祖先藻类。

　　再比如说很多女孩子喜欢用面膜，有一种叫紫球藻的，可以提取出很多的多糖去做面膜，我们知道面膜实际上就是黏糊糊的糊在脸上，不让水分出去，不让脏东西进来，这个多糖，藻类分了多糖，恰恰可以完成这样的任务。

　　藻类就是在这样点点滴滴的这些小事情上时时刻刻保卫和守护着我们。这张图可以看到左边的图是美国的NASA发布的全球海洋的一个叶绿素荧光的图，右边是我们国家海洋局发布的蓝色的都是浮游生物，也就是说正在进行光合作用的藻类是非常震撼的。

　　我们利用了藻类的很多，比如说我们大家吃了很多海带，紫菜，还有很多人，我们大家都吃过深海鱼油，还有吃过螺旋藻粉，小球藻粉，还有现在比较风靡的虾青素，还有岩藻黄素等等。实际上这些都是藻类进行光合作用以后形成的碳水化合物，再进而去形成刺激产物的这么一个过程。也就是说我们利用藻的这个过程，就是利用了它光合作用以后形成的碳水化合物，无论是初级产物还是次级产物，包括我们用的生物柴油，包括淀粉，包括我们飞机上用的航空油，包括很多高附加值产品都是这样。

　　光合作用看似简单，它的底物就是水，把水裂解，然后把二氧化碳固定，最后形成我们的碳水化合物，释放出氧气的一个过程，是个光催化的一个过程。光合作用可以简单的分成一个光反应和一个暗反应的过程，那么你也可以把光合作用理解成一个从光能经过光合生物变成电能，再从电能变成不稳定的化学能，最后固定二氧化碳形成稳定的化学能这样一个过程。光合作用看似简单，但是实际上它的调控非常精细，非常复杂。

　　由于光合作用每一年我们可以产生大于1017方千卡的自由能，同时它可以固定2，200亿吨到2，500亿吨的生物质，那么这个量大概是我们人类每一年需要能量的10倍，可见光合作用很重要，可见藻类进行的光合作用更重要。人类研究光辉种植历史大概有300多年，有人说在亚里士多德时代就对光合作用的提出过最初的一个概念。

　　近代史上是从1915年威尔斯泰博士发现了叶绿素以来，目前已经有多人次他们关于光合作用的研究拿到了诺贝尔奖，非常可喜可贺，尤其是在1988年，诺贝尔奖当时颁奖词上讲，光合作用是地球上最重要的化学反应，没有之一是最重要的化学反应。

　　我一直在想一个问题就是说光合作用这么重要，它的调控这么精细，是如何去完成它的调控的？我们的团队技术利用一个很小的模式生物，可能有很多朋友第一次听过叫做莱茵衣藻，左边这张图是画的模式图看着很大，但是我们肉眼是看不见的，它只有5~7个微米，它是一个单倍体的单细胞的真核的绿藻非常牛，大约基因有18，000个基因左右。

　　那么看我们主要的绿色部分是它的叶绿体，它有叶绿体，它有细胞壁，它可以进行光合作用，它是一个植物的特性。

　　同时我们看它这里边还有眼睛，它能感受到光还有鞭毛可以游泳，还可以交配，这些是典型的动物特征，那么也就造就了包括莱茵衣藻在内的藻类，在分类学上它的地位非常特殊，我们管它叫原生生物。刚才右边这张图纸在动，是我们在显微镜上拍的，它平常在游动的一个图片，你会神奇的发现，当一个藻在游泳的时候，它前面有另外一个藻，它不会撞上去，它能看见，它会躲开它，非常神奇。它有鞭毛能摆动，边毛里在发生非常繁忙的运输过程，竟然有的藻类，它鞭毛旋转的速度能达到每一秒钟1700转，这个速度是非常惊人的。

　　这个图就是我们实验室里就以莱茵衣藻为研究对象，去研究光合作用调控的一些场景，比如说我们可以在摇床上，在液体培养剂里培养藻类，可以在不同的转子条件下去培养，还可以采取高光的形式，采取荧光的形式。最中间下面这个图就是我们实验室保存了很多重要的一些个莱茵衣藻的资源，我们所采取的手段就是遗传学的手段去研究光合作用的调控机制。

　　什么叫遗传学的手段？就是说本来它长那个样子，我们经过一些物理和化学的方法，让它某一些基因突变，突变以后我们再看它长成什么样子，这时候我们去寻找一些突变性基因以后，它可以在黑暗条件下，也就是又外界碳源的条件下，但是在光下它不能进行自养，不能去光合作用这些突变体，在这图里大家可以看到。我们就发现了很多见光以后就不能生长的突变体，我们就怀疑它们可能不能利用光或者是不能进行高效的光合作用。

　　这个是我们日常培养藻类的一些个情况，因为我们的莱茵衣藻比较喜欢红光和蓝光，这个屋子里头特别刺眼睛，每次进去以后都要戴上护目镜，所以说每次回来以后我都会自豪的讲，我刚从我们莱茵衣藻的拉斯维加斯回来，给人的感觉是灯红酒绿一样。

　　中间这个图片也是我们在研究很多重要的基因，包括蛋白它的功能的时候，我们要知道它的定位在哪，是定位在细胞膜上，还是定位在细胞质上，还有叶绿体上等等，是我们做了一系列的工作。

　　这是回国以后，我在光合作用从光能变到电能，变到化学能这个过程中找出了很多重要的调控因子，有很多我们用到了作物上去，效果非常可观。

　　研究光合作用的调控，我们取得一部分成绩，我又在想另外一个问题，就像我们人类白天工作，一般晚上的时候我们需要睡觉一样，我们很多光合生物也是需要白天进行光合作用，但是晚上的时候它要进行呼吸作用，白天的时候把二氧化碳固定释放出氧气，形成碳水化合物，但是晚上的时候要把碳水化合物进行降解掉，进行呼吸作用，同时释放出二氧化碳的过程。

　　那么经历了黑暗的光合生物以后，如果在一旦接收光以后，它会迅速的返回到光合作用中去，那么黑暗中是如何调控的？光合生物是如何适应黑暗的？这是我们关注的另外一个科学问题。我们又采取遗传学的手段去寻找，这回我们寻找相反的，寻找一些在黑暗条件下它就不长了，我们给它放到光下，它可以进行光合作用又长的这些突变体，我们推测某一些基因的突变，它就造成了藻不能完成黑暗适应这一个过程。经过不懈的努力，我们找到了一个非常关键的因子，叫做FDX5。这里边我们可以看最左边的中间那个图，在黑暗条件下藻就不长了。后来我们发现FDX5的功能特别强大，它可以调控脂肪酸代谢，可以调控膜脂代谢，还可以调控氧化还原平衡，去影响暗中适应，进而影响藻类去返回到光条件下进行光合作用这样的能力。

　　同时我们在研究黑暗适应的过程中，我们提出一个很重要的概念叫氢氧反应，顾名思义就是这里边有氢气，有氧气，我们知道氢气和氧气的混在一起是非常危险的，对吧？后来我们经过不懈的努力，我们找到一个合适的氢气、氧气、氮气和二氧化碳的能力，就是说在黑暗条件下，我们怎么能让藻类也可以生长的这么一个外界给碳源的这么一个条件。我们知道氢气氧气放在一起容易爆炸，夏威夷大学的有的科研工作者条件没磨好，就曾经发生过爆炸，也非常危险，但是我们现在已经找到了一个很合适的比例去让它在黑暗条件下去生长。

　　人们在研究过程中会发现一株植物它的不同的器官，比如说它的果实，它的茎秆，它的籽粒，包括马铃薯的块茎，它的不同部位的氧气浓度是不一样的。有个疑问就是它的氧气浓度为什么是不一样的呢？而且人们也发现在我们自然环境中有很多的氧气浓度特别低的这种条件，我们知道现在空气中的氧气浓度是21%，我们管没有氧气的条件叫做缺氧的条件，把小于21>0%的这一系列的氧气浓度都叫做缺氧。

　　比如说我们豆科植物在截留固氮的时候，它需要的环境就是没有氧气的，还有我们在蓝藻中有一类固氮的蓝藻，它有个独特的细胞叫异形胞，异形胞内也是不能有氧气的，否则有氧气的话就不可能完成固氮的过程。还有我们发现的叶瘤，还有我们发现在水底下长的很多水生植物，它进行的光合作用和我们正常的光合作用是不一样的。还有我们谈之色变的癌症，癌细胞中都是氧气浓度特别低的，我们经常做运动，有氧运动，可以增加氧气浓度去攻击癌细胞，减少我们患癌的能力。

　　还有的科学家发现氧气，它在我们植物干细胞分化的过程中起很重要的作用。大家可以看那个图上橘黄色的小点点，就是说如果它氧气的浓度改变以后，植物干细胞就不可能完成正常的分化，这个现象在花药的分化过程中也发现，所以说这也就改变了我们认为厌氧只是一种胁迫，缺氧只是一种胁迫，这种看法，我们可以认为厌氧它是一种信号，作为一种信号，在生物体生产过程中起到很重要的一个调控的作用。

　　鉴于氧气的感知这么重要，所以说2019年诺贝尔生理学和医学奖就颁给三个科学家，表彰他们在氧气感知方面作出的卓越的贡献。同时我们发现如果氧气没有了以后，我们藻类还可以产氢气，当然产氢气这个事情是科学家很早之前就发现，我们就系统的总结了藻类如何利用不同的条件，不同的通路去产氢气。这里边总一共总结了三条通路去产氢气的通路，我们也系统地研究了藻类是如何放松的，比如说它主要有一个过程，大家可能知道生物化学里的概念叫糖酵解，糖酵解把它积累的淀粉最后降解成我们需要的丙酮酸，再进而去降解成不同的底物。

　　我们当时在设想把通路让它改到产氢气红色的小块块上去走，产生更多的氢气，我们就试图关闭其他的通路，但是似乎每次关闭一个通路以后，就会产出一个新的化合物，这个是我们始料不及的，就说它产氢调控是非常复杂的，我们后来调控的文章发了一大堆，也发现了其中有很多有意思的现象，比如说我们发现衣藻在黑暗条件下，它有两条乙酸合成的通路，一条定位在线粒体里，一条定位在叶绿体里，这也是非常有意思的。我们后来也系统总结了藻类黑暗厌氧它如何调控的，这个机制非常详细的总结了在这篇文章里边。我们刚才讲了很多光合作用的调控，以及光合作用如何适应黑暗等等，包括缺氧条件的一些个调控。我们所有研究光合作用人的梦想就是提高我们光能利用效率，让我们的光合作用更加高效的实现。

　　藻类它有非常高效的一个光合作用能力，它和植物相比，它的理论光能利用效率可以达到最高20%，我们植物最高的理论值只有5%，后来总结发现在它的生活环境，包括生长能力，还有环境适应能力，曝光反应、暗反应以及它光保护能力等等，藻类的都有很多和植物不一样的地方，所以造就了它有这么高的光能利用效率。

　　于是我们就想，我们能不能用藻类里的高光能利用效率这些科学发现，我们应用到作物上去，去提高作物的产量。也鉴于它光合作用发生的场所，叶绿体的调控机制和光合作用的很多调控机制比较类似，但是我们藻类的生育期特别短，就像我们种植物一年，我们国家可以不同的地方可以种不同的代数，比如说最多可以种到一年三季等等。我们在藻类的挖掘出的因子，重要的一些个调控的蛋白等等，我们就应用到作物上去，去改造作物的性状。

　　我总讲我们现在我们身边的植物也好，作物也好，它们是不以我们人类的意志存在而存在的，它们的目的就是为了活着，我们人们的目的是让它提高更多的产量，然后让它变得更好吃，长得更高更矮等等，根据我们的需求，所以说我们有很大的空间可以去改造它们。

　　我们首先做的就是在藻类中挖掘出了一个很重要的蛋白，我们就用在水稻上。用到水到时候我们发现在实验室里它可以提高产量30%，在大田里我们去做，它可以提高产量10%~15%，效果还是非常可观的。同时我们也试了基因关键的调控蛋白在番茄里，在生菜里，大家可以看，如果用上我们挖掘的关键蛋白以后，它的产量就是增加，包括生菜的产量增加幅度特别大。

　　我们知道我们国家需大豆的需求量特别大，但是每一年我们自己国家产的大豆只有1，500万吨，去年我们进口量已经超过了1亿吨。我们一直在想就是说我们能不能各方面去努力去提高我们国家自己的大豆产量，我们在藻类的挖了很多跟固碳相关的一些基因，我们去改造了我们大豆，我们看第一排是我们的对照，下面这几行都是经过我们改造以后，大豆的籽粒变大，它的产量增加了，我们希望我们的这方面的努力也能从藻类里光合作用的挖掘出来的这些关键因子用到作物的改良上去，能为我们将国家的粮食安全保障做一部分贡献。

　　目前我们还在做一部分工作，就是我们在藻类中挖掘很多关键的因子，改造的一个关键的因子叫做RuBisCO，RuBisCO是什么呢？1，5二磷酸核酮糖羧化酶，也就是我们光合作用中为什么能固定二氧化碳的酶？很重要，藻类里的RuBisCO多数它的活性度特别高，所以我们就想我们能不能挖掘高的RuBisCO，然后替换掉谷子里的RuBisCO，让它实现更多的固碳，然后为我们国家的谷子生产提质增效也做出一定的贡献。

　　还有我们讲藻类它有个非常独特的特性，就是说它可以把环境中的二氧化碳浓缩起来，浓缩到1000倍以上，这个量很吓人，主要是它在有两个很独特的细胞器，一个是叫羧基体，另外一个是叫蛋白核中完成。当然了我们二氧化碳从体外进到细胞器中，可谓是冲破艰难险阻。我们管这个过程叫做二氧化碳的浓缩机制，藻类的浓缩机制，植物里进化过程中丢掉了，我们在想能不能把藻类里的二氧化碳浓缩机制，包括蓝藻类的羧基体，包括我们绿藻和其他藻类的蛋白核，应用到我们的作物上去，让它实现更高效的固碳，我们也开始着手做这部分的工作。

　　我们高中的生物都学过植物固碳的时候，它最重要的固碳途径就叫卡尔文循环。研究藻的过程中发现，藻类在不同的生境，尤其是逆境条件下，它有很多其他的固定二氧化碳通路，这些个通路在植物中是没有的，有时候我就在想把藻类的这些通路引到植物中去，让植物在不同的逆境，比如说干旱、低盐、高盐等等这些环境条件下去固碳，就辅助卡卡尔文循环去固定更多的碳。我们把碳固定下来以后就可以增加它的产量，我们也开始着手这部分工作。

　　还有就是说个概念就叫合成生物学，那么用藻类作为底盘去研究合成生物学，生产很多高附加值的产品，现在特别风靡，主要就是它是用二氧化碳作为原料，对吧？可以我们有的放矢的去设计通路，去改造构建。然后看到我们设计的模型，去生产我们高附加值产品它的效率怎么样？将来我们想通过藻类的一些挖掘出来的很多重要的一些个光合作用的调控因子，结合我们合成生物学，然后再去用到我们的植物中去，在植物中实现合成生物学，将来为我们的粮食生产农业安全做出一定的贡献。

　　同时我们还积极参加另外一些个课题，相关的研究也是基于藻类，我们知道我们国家有登月计划，太空计划，还有火星计划等等，这次我们的神舟14还带回了水稻的种子，那么我们藻类的在航天生命保障系统中，它将发挥着非常重要的作用，所以我们也参与这部分一部分研究。

　　藻类现在保守估计大概起有10万种，有的人说有20万种，有人还讲有100万种，每一天都有陆续的新藻类被报道过。我们知道我们地球上的生物经历过了5次大灭绝，尤其是最后一次灭绝的时候，80~90%的生物都已经灭绝了，但是我们藻类的依旧存在。我想讲的是如果我们地球经历了第六次大灭绝，80~90%甚至更多的生物灭绝了以后，我们的藻类还是可以存在的，主要就是它可以很好的适应环境，很高效的进行光合作用。

　　研究藻类的这门学问叫做phycology，它和另外一心理学的psychology特别相近，所以我在美国的时候跟很多人在谈的时候，说phycology人们很不理解问说你讲的是psychology吗？因为在他们的心目中，他们认为心理学对他们很关键，但是我想说的是藻类学也非常关键，所以说我希望有更多的人关注我们的藻类，关注我们地球的守护者，也将来有更多的年轻的朋友，包括科学家去投入到我们的藻类研究中来，谢谢大家。

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责任编辑：梁斌 SF055