香港城市大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 王文雄 & 楊能課題組

低生物量生產(chǎn)率和長期光合效率極大地限制了微藻生物燃料的生產(chǎn)。在此，提出了一種基于具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)特性的生物相容性胞外聚合物(EPS)探針來選擇具有高光合能力的高生長、抗逆性藻株的新策略。具體來說，合成了AIE活性EPS探針，用于在不同藻類生長階段原位長期監(jiān)測EPS生產(chǎn)力。通過結(jié)合基于AIE的熒光技術(shù)，藻類細(xì)胞根據(jù)其葉綠素和EPS信號分為四個(gè)不同的種群。對分選的藻類細(xì)胞的機(jī)制研究表明，它們具有顯著的抗逆性，并且細(xì)胞分裂、生物聚合物生產(chǎn)和光合作用相關(guān)基因表達(dá)水平高。分選和傳代培養(yǎng)的藻類細(xì)胞始終表現(xiàn)出相對較高的生長率和光合能力，導(dǎo)致藻類生物量產(chǎn)量、葉綠素和脂質(zhì)增加（1.2至1.8倍）。這項(xiàng)研究可能開辟促進(jìn)基于微藻的生物燃料生產(chǎn)的新策略。

原文鏈接：Bioprospecting of Chlamydomonas reinhardtii for boosting biofuel-related products production based on novel aggregation-induced emission active extracellular polymeric substances nanoprobe

維羅納大學(xué)生物技術(shù)系?Matteo?Ballottari課題組鈣(Ca²⁺)依賴信號在植物和動(dòng)物細(xì)胞對不同環(huán)境刺激的反應(yīng)中起著很重要的作用。在綠藻模式生物萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)中，Ca²⁺信號在脅迫反應(yīng)、光合作用和鞭毛功能等不同生理過程中起著至關(guān)重要的作用。最近的報(bào)道確定了Ca²⁺信號機(jī)制在特定亞細(xì)胞區(qū)室水平的潛在成分，并報(bào)道了響應(yīng)環(huán)境刺激的胞質(zhì)Ca²⁺濃度的體內(nèi)成像。C. reinhardtii中這些Ca²⁺相關(guān)機(jī)制和蛋白質(zhì)的表征為微藻如何感知和響應(yīng)環(huán)境刺激提供了相關(guān)知識，同時(shí)也為這種Ca²⁺信號機(jī)制如何進(jìn)化提供了信息。在這里，我們回顧了目前關(guān)于C. reinhardtii中Ca²⁺信號產(chǎn)生、形成和解碼的細(xì)胞機(jī)制的知識，概述了參與其不同亞細(xì)胞區(qū)室Ca²⁺信號傳導(dǎo)的已知和可能的分子參與者。還討論了最近開發(fā)的用于測量活的C. reinhardtii細(xì)胞中時(shí)間分辨率Ca²⁺信號的先進(jìn)工具包，建議它們?nèi)绾胃倪M(jìn)Ca²⁺信號在微藻對環(huán)境刺激的細(xì)胞反應(yīng)中作用的研究。

原文鏈接：Chlamydomonas reinhardtii cellular compartments and their contribution to intracellular calcium signalling

https://doi.org/10.1093/jxb/erab212

萊茵衣藻是一種單細(xì)胞綠藻，別看它體型微小，卻有著豐富的營養(yǎng)成分。其蛋白質(zhì)含量極高，可高達(dá) 50% – 60%，且這些蛋白質(zhì)含有人體所需的多種必需氨基酸，其氨基酸組成較為平衡，這意味著它們能夠?yàn)槿梭w提供優(yōu)質(zhì)的蛋白來源，對于維持身體的正常生理功能、修復(fù)組織和促進(jìn)生長發(fā)育有著關(guān)鍵作用。無論是對于素食者，還是需要補(bǔ)充蛋白質(zhì)的健身人群，萊茵衣藻都不失為一種理想的選擇。

除了蛋白質(zhì)，萊茵衣藻富含多種維生素。其中包括維生素 A、維生素 C、維生素 E 等抗氧化維生素。維生素 A 對于維護(hù)視力健康至關(guān)重要，能夠預(yù)防夜盲癥和干眼癥等眼部問題；維生素 C 則是增強(qiáng)免疫力的 “小能手”，它可以促進(jìn)白細(xì)胞的生成和活性，幫助身體抵御病原體的侵襲，同時(shí)還具有抗氧化作用，減少自由基對細(xì)胞的損害；維生素 E 同樣是強(qiáng)大的抗氧化劑，能夠保護(hù)細(xì)胞膜免受氧化損傷，延緩細(xì)胞衰老過程。

在礦物質(zhì)方面，萊茵衣藻也不遜色。它含有鈣、鐵、鋅、鎂等多種礦物質(zhì)。鈣是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要成分，對于維持骨骼強(qiáng)度和密度起著核心作用，尤其對于兒童和老年人的骨骼健康意義重大；鐵是血紅蛋白的重要組成部分，負(fù)責(zé)氧氣在體內(nèi)的運(yùn)輸，缺鐵可能導(dǎo)致貧血，適量攝入萊茵衣藻有助于預(yù)防缺鐵性貧血；鋅參與人體多種酶的合成和活性調(diào)節(jié)，對免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)作不可或缺；鎂對于心血管健康有益，可調(diào)節(jié)心臟節(jié)律和肌肉收縮。

更值得一提的是，萊茵衣藻中還含有獨(dú)特的生物活性成分，如葉黃素和 Omega – 3 脂肪酸等。葉黃素是一種類胡蘿卜素，在視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域高度富集，能夠過濾有害藍(lán)光，預(yù)防視網(wǎng)膜病變和老年性黃斑變性等眼部疾病。Omega – 3 脂肪酸包括 EPA 和 DHA，它們對心血管系統(tǒng)有著積極的影響，可降低血脂、減少動(dòng)脈粥樣硬化的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對大腦發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)功能的維護(hù)也有重要作用，有助于提高記憶力和認(rèn)知能力。

從健康功效來看，萊茵衣藻在抗氧化、抗炎和調(diào)節(jié)腸道菌群等方面也展現(xiàn)出潛力。其豐富的抗氧化成分可以清除體內(nèi)過多的自由基，自由基就像身體里的 “小惡魔”，會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，引發(fā)一系列慢性疾病，如癌癥、心血管疾病和糖尿病等。通過抗氧化作用，萊茵衣藻能夠幫助身體維持細(xì)胞的健康狀態(tài)。此外，萊茵衣藻還具有一定的抗炎特性，慢性炎癥是許多疾病的根源，而它能夠抑制炎癥因子的產(chǎn)生，減輕炎癥反應(yīng)。在腸道健康方面，研究發(fā)現(xiàn)萊茵衣藻可能有助于調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡，促進(jìn)有益菌的生長，抑制有害菌的繁殖，為腸道健康營造良好的環(huán)境，進(jìn)而對整體健康產(chǎn)生積極影響。

總之，萊茵衣藻以其豐富的營養(yǎng)價(jià)值和多樣化的健康功效，成為了現(xiàn)代健康食品領(lǐng)域的新寵。隨著科學(xué)研究的不斷深入，相信它將在提升人類健康水平的道路上發(fā)揮更為重要的作用，為我們的健康生活帶來更多的驚喜。

萊茵衣藻是一種單細(xì)胞綠藻，呈球形或橢圓形，直徑通常在 5 至 10 微米之間。在顯微鏡下觀察，它展現(xiàn)出清晰而優(yōu)美的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞壁輕薄而透明，內(nèi)部的細(xì)胞質(zhì)中，葉綠體猶如綠色的寶石，分布均勻且充滿活力。葉綠體中含有葉綠素，賦予了萊茵衣藻進(jìn)行光合作用的能力，使其能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能，為自身的生命活動(dòng)提供能量。

萊茵衣藻的價(jià)值不可小覷。在科研領(lǐng)域，它是研究光合作用、細(xì)胞周期、遺傳和進(jìn)化等生物學(xué)過程的理想模式生物。其基因組相對較小且簡單，遺傳操作容易，使得科學(xué)家們能夠深入探究生命的奧秘。通過對萊茵衣藻的研究，我們對于光合作用的機(jī)制有了更深入的理解。光合作用是地球上幾乎所有生命賴以生存的基礎(chǔ)過程，而萊茵衣藻的光合作用機(jī)制研究為提高農(nóng)作物的光能利用效率提供了重要的理論基礎(chǔ)。

在醫(yī)藥領(lǐng)域，萊茵衣藻也展現(xiàn)出了巨大的潛力。它可以被用于生產(chǎn)藥用蛋白和生物活性物質(zhì)。例如，通過基因工程技術(shù)，將編碼特定藥用蛋白的基因?qū)肴R茵衣藻中，使其能夠大量表達(dá)和生產(chǎn)這些蛋白。這種生產(chǎn)方式具有成本低、效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，為藥物的研發(fā)和生產(chǎn)開辟了新的途徑。此外，萊茵衣藻中含有的一些生物活性物質(zhì)，如多糖、多肽等，具有抗氧化、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等作用，有望開發(fā)成為新型的藥物或保健品。

萊茵衣藻的功能多樣且重要。在環(huán)境保護(hù)方面，它能夠吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用。在一些富營養(yǎng)化的水域中，萊茵衣藻的存在可以幫助減輕水體污染，恢復(fù)生態(tài)平衡。同時(shí)，萊茵衣藻在生物能源領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。由于其能夠積累油脂，通過生物技術(shù)手段，可以將其轉(zhuǎn)化為生物柴油。與傳統(tǒng)的化石能源相比，生物柴油具有可再生、環(huán)保、低碳排放等優(yōu)點(diǎn)，是未來能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。

不僅如此，萊茵衣藻在食品工業(yè)中也有一定的應(yīng)用。它富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，可以作為食品添加劑或營養(yǎng)補(bǔ)充劑。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，萊茵衣藻還可以作為餌料，為魚類、蝦類等水生生物提供豐富的營養(yǎng)，促進(jìn)其生長和發(fā)育。

總之，萊茵衣藻以其獨(dú)特的形態(tài)、巨大的價(jià)值和多樣的功能，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源領(lǐng)域以及食品工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們對萊茵衣藻的認(rèn)識和利用還將不斷深入和拓展，相信它將為人類帶來更多的福祉和驚喜。未來，萊茵衣藻或許會(huì)成為解決能源危機(jī)、環(huán)境問題和健康挑戰(zhàn)的重要力量，為我們創(chuàng)造一個(gè)更加美好的世界。讓我們持續(xù)關(guān)注這一微小而神奇的生物，期待它在科學(xué)的舞臺(tái)上綻放出更加絢爛的光彩。

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注：圖片源于百度百科。

? ? ? ? ? 有性生殖與病毒感染事實(shí)上存在很多共同之處。根據(jù)一項(xiàng)新的研究，這兩種過程依賴于單個(gè)蛋白HAP2，這種蛋白能夠讓兩個(gè)細(xì)胞（如精細(xì)胞和卵細(xì)胞）無縫融合，或者讓一個(gè)病毒與細(xì)胞膜融合。蛋白HAP2在病毒、單細(xì)胞原生動(dòng)物、很多植物和節(jié)肢動(dòng)物中廣泛存在，這提示著這種蛋白是在地球上的生命歷史極早期發(fā)生進(jìn)化的。

? ? ? ? ? 相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年2月23日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“The Ancient Gamete Fusogen HAP2 Is a Eukaryotic Class II Fusion Protein”。

進(jìn)化新細(xì)節(jié)

? ? ? ?這一發(fā)現(xiàn)揭示出性進(jìn)化的新細(xì)節(jié)。

這種蛋白作為一種幾乎通用的生化“栓”能夠?qū)蓚€(gè)細(xì)胞膜變成一個(gè)細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致遺傳物質(zhì)結(jié)合在一起，這是有性生殖的一個(gè)必需的步驟。關(guān)于這種蛋白功能的新細(xì)節(jié)可能有助抵抗瘧疾等寄生蟲病，改善控制害蟲的努力。論文共同通信作者、美國馬里蘭大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)與分子遺傳學(xué)系的William Snell教授說，“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)大自然具有有限的方式讓兩個(gè)細(xì)胞融合成一個(gè)細(xì)胞?！?/span>

　 ? Snell說，“一種首先讓性進(jìn)化成為可能并且仍然在地球上很多有機(jī)體的有性生殖中使用的蛋白與登革熱病毒和寨卡病毒用來入侵人細(xì)胞的蛋白是相同的?！?/span>

生殖細(xì)胞融合必不可少的HAP2

? ? ? ? Snell和他的同事們在一種被稱作萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的單細(xì)胞綠藻中研究了蛋白HAP2。HAP2在單細(xì)胞原生動(dòng)物、植物和節(jié)肢動(dòng)物中是比較常見的，不過它并未在真菌或人類等脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)到。Snell和他的合作者們以及其他研究團(tuán)隊(duì)之前的研究結(jié)果表明在具有這種蛋白的有機(jī)體中，HAP2是它們的生殖細(xì)胞融合所必不可少的。但是它的精確機(jī)制仍然是不清楚的。

分析比較HAP2和病毒融合細(xì)胞的氨基酸序列

? ? ? ? ?就當(dāng)前的這項(xiàng)研究而言，Snell和他的團(tuán)隊(duì)利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)分析工具對衣藻蛋白HAP2和已知的病毒融合蛋白的氨基酸序列進(jìn)行比較。這些結(jié)果提示著它們存在顯著的相似性，特別是在一個(gè)被稱作融合環(huán)的區(qū)域中。這個(gè)融合環(huán)區(qū)域能夠讓病毒融合蛋白成功地侵入細(xì)胞中。Snell推斷，如果HAP2像一種病毒融合蛋白那樣發(fā)揮功能，那么破壞它的融合環(huán)應(yīng)當(dāng)阻斷它將生殖細(xì)胞融合在一起的能力。

　　果然，當(dāng)Snell團(tuán)隊(duì)僅改變衣藻蛋白HAP2融合環(huán)上的單個(gè)氨基酸時(shí)，這種蛋白完全喪失了它的功能。生殖細(xì)胞能夠附著在一起，但是它們不能夠完成最后的一步：它們的細(xì)胞膜融合。類似地，當(dāng)該團(tuán)隊(duì)加入一種結(jié)合到HAP2融合環(huán)上的抗體時(shí)，這些生殖細(xì)胞也不能夠融合在一起。Snell說，“我們對這些結(jié)果感到非常震驚，這是因?yàn)樗鼈冎С治覀冡槍AP2蛋白提出的新的功能模式。但是我們需要可視化觀察HAP2蛋白的結(jié)構(gòu)，從而確信它與病毒融合蛋白具有類似的功能。”

? ? ? ? Snell接觸了法國巴斯德研究所結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、病毒學(xué)研究專家Felix Rey。巧合的是，Rey和他的同事們剛利用X射線衍射晶體分析技術(shù)解析出衣藻蛋白HAP2的結(jié)構(gòu)。Rey的結(jié)果證實(shí)確實(shí)，HAP2在功能上與登革熱病毒和寨卡病毒融合蛋白完全一樣。Rey說，“衣藻蛋白HAP2以與這些病毒融合蛋白相同的方式發(fā)生折疊。這種類似性是明確無誤的?！?/span>

HAP2可能控制瘧疾

? ? ? ? 在很多種有機(jī)體（包括致病性的原生動(dòng)物、入侵植物和破壞性的害蟲）中，HAP2似乎是細(xì)胞融合所必需的。迄今為止，每個(gè)已知的HAP2蛋白版本在融合環(huán)區(qū)域共享一個(gè)關(guān)鍵性的氨基酸。正因此如此，HAP2可能是開發(fā)疫苗、療法和其他控制方法的一種有前景的靶標(biāo)。

　　Snell對可能能夠控制瘧疾備感鼓舞。瘧疾是由單細(xì)胞原生動(dòng)物惡性瘧原蟲導(dǎo)致的。Snell注意到瘧原蟲具有復(fù)雜的依賴于蚊子和人類宿主的生命周期。Snell說，“開發(fā)一種阻斷瘧原蟲生殖細(xì)胞融合在一起的疫苗將會(huì)是向前邁出的一大步。我們的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈地提示著靶向HAP2的新策略，這些策略可能能夠破壞瘧原蟲生命周期的蚊子傳播階段?！?/span>

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2008 年8 月6 日，美國麻省理工大學(xué)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個(gè)過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產(chǎn)生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實(shí)驗(yàn)的意義在于光合作用產(chǎn)生的能量能夠被人類利用，這種技術(shù)將引發(fā)一場太陽能使用的大革命，以補(bǔ)償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。

光合作用反應(yīng)器

資源豐富、無毒、無污染??作為一種理想的新能源，氫氣密度最小、在自然界存在豐富、發(fā)熱值高、燃燒性能好，本身無毒，燃燒時(shí)產(chǎn)物為水、不會(huì)產(chǎn)生污染物質(zhì)、燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用等顯著特點(diǎn)。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑。目前液氫已被廣泛用作火箭和航天動(dòng)力的燃料。世界各國對開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財(cái)力、物力，并且已取得了多方面的進(jìn)展。氫氣實(shí)在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量獲取氫氣的方法。

40 多年前人們發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；10 年前又發(fā)現(xiàn)，藍(lán)綠藻等許多藻類在無氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，科學(xué)家已經(jīng)成功地通過模擬光合作用進(jìn)程，在實(shí)驗(yàn)室制造出了氫氣。

只用水、陽光和藻類就能生產(chǎn)出能量！聽起來多么異想天開。然而科學(xué)家在微型藻類上的實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)看似荒誕的夢想并非絕無實(shí)現(xiàn)可能。事實(shí)上，微型藻類家族中的一小部分成員本身就能夠天然地生產(chǎn)氫氣，而氫氣正是當(dāng)前被普遍看好的石油替代能源。隨著化石能源儲(chǔ)備的減少和全球氣候變化，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都在試圖進(jìn)一步了解藻類放氫這一生物過程，以便對其加以利用，從而滿足人類對能源的需求。研究的最終目標(biāo)是，將這些藻類培養(yǎng)在巨大的光合作用反應(yīng)器中，在陽光的照射下，產(chǎn)生大量“潔凈”氫氣，既不需要電，也不會(huì)釋放溫室氣體。

克服生物限制

光合作用放氫現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1939 年。當(dāng)年，芝加哥大學(xué)的研究員漢斯首先發(fā)現(xiàn)，一種單細(xì)胞綠藻——萊茵衣藻，有時(shí)候會(huì)停止產(chǎn)生氧氣轉(zhuǎn)而釋放氫氣。不過這種與氫化酶（無氧條件下的一種活性酶）相關(guān)的反應(yīng)極其短暫，轉(zhuǎn)瞬即逝。直至近年來，這方面的研究才有了重大突破?？茖W(xué)家們終于掌握了一些經(jīng)驗(yàn)，使這一氫合成過程得以延長，開辟出生物科技應(yīng)用前景。

以著名的萊茵衣藻為例，看看氫氣究竟是如何產(chǎn)生的。衣藻是一種直徑為10 微米的單細(xì)胞生物，有兩根鞭毛。由于其結(jié)構(gòu)簡單，50 多年來科學(xué)家們一直喜歡用衣藻作為研究模型，并昵稱它為“ 綠色酵母”。在美國能源部基因研究所的協(xié)調(diào)下，世界各地的百余名科學(xué)家日前完成了對衣藻全部基因組的測序。作為一種植物，衣藻從光合作用中獲取養(yǎng)料、生長發(fā)育。在光線的作用下，它吸收周圍環(huán)境中的水和二氧化碳，通過反應(yīng)生成有機(jī)分子，主要為糖類。這種由光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換發(fā)生在細(xì)胞的特殊隔室即葉綠體內(nèi)。衣藻僅含有一個(gè)鐘狀葉綠體，那里就是反應(yīng)、產(chǎn)生氫氣的所在。

光能被葉綠體膜吸收，導(dǎo)致水光解，衣藻釋放出氧氣和電子。然后，在葉綠體的類囊體中，電子流將二氧化碳合成糖類。此時(shí)氫化酶的介入能夠保證這兩個(gè)過程的有效銜接。酶的功能有如安全閥門，在光線的作用下，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)立即發(fā)生，而糖類合成則啟動(dòng)得慢得多。因而這里存在一個(gè)關(guān)鍵階段，在這個(gè)階段里過量的電子對藻類是有毒的，應(yīng)該被驅(qū)散。而氫化酶能夠吸收電子，制造氫氣，從而避免了系統(tǒng)運(yùn)行的阻塞。

問題在于，由于水光解釋放出的氧氣很快就會(huì)抑制酶的作用，氫氣的制造在幾分鐘之后就會(huì)中止。此時(shí)光合作用中的電子傳遞鏈提供的電子，就會(huì)被有機(jī)物利用來幫助吸收二氧化碳形成糖類。這兩種反應(yīng)機(jī)制對電子的爭奪，決定了氫化酶的活動(dòng)僅僅是暫時(shí)的。

效率有待提高

簡而言之，光合作用為酶提供電子，酶依賴于光合作用；反過來，光合作用產(chǎn)生的氧氣又抑制了酶的活動(dòng)。在研究如何提高光合反應(yīng)器的效率之前，科學(xué)家們的首要任務(wù)便是克服這一重要的生物限制。為了做到這一點(diǎn)，目前有兩條途徑。

第一種途徑是將氫化酶與光合作用分離。也就是說，將藻類的生長期（在光合作用下）與氫氣的產(chǎn)生階段（無光合作用參與）分離，讓氫化酶有充分時(shí)間發(fā)揮作用。事實(shí)上早在2000年，科學(xué)家就曾設(shè)計(jì)過一個(gè)分離方案：將衣藻浸泡在一個(gè)無硫的環(huán)境中，藻類產(chǎn)生應(yīng)激性反應(yīng)，光合作用被削弱（因此氧氣排放量減少），呼吸作用增強(qiáng)（消耗掉更多氧氣）。這樣，衣藻很快處于有利于制氫的厭氧環(huán)境中。遺憾的是，這種環(huán)境對于衣藻來說十分不利，它的生長受阻，很快就會(huì)死去。

相比之下，另外一種途徑更為有效。這種方法關(guān)注的是一個(gè)對光合作用很重要的基因。通過對葉綠體基因的控制，使這個(gè)基因處在啟動(dòng)基因的調(diào)控下，當(dāng)銅元素缺乏時(shí)啟動(dòng)基因被激活，當(dāng)銅元素介入時(shí)啟動(dòng)基因受到抑制。這個(gè)啟動(dòng)基因就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)。在沒有銅元素介入時(shí)，藻類生長，基因開始表達(dá)，光合作用發(fā)生。添加銅元素啟動(dòng)基因抑制，光合作用中斷，氫化酶接力繼續(xù)工作。更有趣的是，由于啟動(dòng)基因同樣對氧氣敏感，光合作用（產(chǎn)生氧氣）和自身的呼吸作用（消耗氧氣）的彼此交替，可使開關(guān)打開或閉合。整個(gè)過程不需要人為地對銅進(jìn)行控制，構(gòu)成一個(gè)可持續(xù)循環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)。然而，目前的反應(yīng)效率僅能勉強(qiáng)達(dá)到0.5%～3%，要實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫達(dá)到10%以上還有相當(dāng)大的距離。

產(chǎn)氫新途徑

光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結(jié)果，整個(gè)過程一開始是將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣、自由的質(zhì)子和電子。在光合作用中產(chǎn)生了兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，葉綠素分子失去兩個(gè)電子，水分子發(fā)生分解。盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實(shí)現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當(dāng)這一媒介的是葉綠體。

眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個(gè)過程毫無意義。為了提高這一性能，化學(xué)家們提供了能促使反應(yīng)在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當(dāng)這種媒介，當(dāng)然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應(yīng)要進(jìn)行還需要特定的溫度條件和氣壓。

目前，科學(xué)家已經(jīng)找到了加速水電解的另一個(gè)好方法。他們把銦和錫的氧化物做成的電極放置在鈷離子和磷酸鉀的水溶液中，然后在溶液中通入太陽能電池的電流，這樣相當(dāng)于葉綠體的觸媒就產(chǎn)生了。與此同時(shí)，水分解成氧氣和自由的氫離子，這些氫離子聚集在電極上，并在那里形成氫氣。白天，用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需要，一部分用來將水分解成氫氣和氧氣，并將氫氣儲(chǔ)存起來。晚上，氫氣和氧氣作為燃料用來發(fā)電。

自由的氫離子和氧能夠轉(zhuǎn)化為燃料用來發(fā)電。整個(gè)過程發(fā)生在正常的大氣壓環(huán)境和溫度內(nèi)。媒介中的物質(zhì)在反應(yīng)過程中失去了自己的特性，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)又恢復(fù)到原來的樣子。這和自然界的葉綠素一樣。研究證明，能夠使用相對便宜的媒介，并以此為基礎(chǔ)在通常條件下得到光合作用的光能?？茖W(xué)家已經(jīng)為此制定了進(jìn)一步的研究計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個(gè)巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產(chǎn)成為可能，并使太陽能利用步入新的時(shí)代。實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫的那一天已不再遙遠(yuǎn)！

氫元素是世界上分布最廣泛的元素，占宇宙質(zhì)量的75%以上，也是組成人體最多的元素。氫氣是我們非常熟悉的無色、無嗅、無味的氣體，長期以來，被人們認(rèn)為是沒有生理效應(yīng)的氣體分子，作為一種可以開發(fā)利用的未來清潔能源。

在20世紀(jì)30年代和40年代，人們發(fā)現(xiàn)，部分細(xì)菌和藻類能夠產(chǎn)生氫氣。人們期望，能通過細(xì)菌和藻類產(chǎn)生氫氣，解決人類日益增長的能源需求問題。但是，半個(gè)多世紀(jì)過去了，通過細(xì)菌和藻類進(jìn)行工業(yè)化制氫的技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。2007年，日本醫(yī)科大學(xué)的科學(xué)家在《自然醫(yī)學(xué)》雜志發(fā)表了一篇研究報(bào)告，徹底改變了人們對氫氣的認(rèn)識——?dú)錃獠粌H可以作為能源，而且少量氫氣還具有治療疾病的作用。他們發(fā)現(xiàn)，氫氣治療疾病作用是通過選擇性地清除體內(nèi)羥自由基和過氧亞硝基陰離子，發(fā)揮對抗氧化損傷的作用。這一驚人發(fā)現(xiàn)立即引起了全世界學(xué)者的關(guān)注，氫氣各種新的醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)在世界各地不斷被發(fā)現(xiàn)。人們很難想象，原本認(rèn)為生理惰性的普通氫氣現(xiàn)在卻似乎成了“包治百病”的神奇藥物。日本和中國先后開發(fā)出各種氫氣相關(guān)健康產(chǎn)品，并受到人們的熱烈追捧。

現(xiàn)在，氫氣顯然成了醫(yī)學(xué)、保健與美容領(lǐng)域最為耀眼的明星，許多醫(yī)學(xué)專家也認(rèn)為，隨著研究的深入，氫氣或?qū)Υ龠M(jìn)人類健康發(fā)揮重大作用。然而，人們大概沒有想到，氫氣不僅可以用于醫(yī)學(xué)治療和保健領(lǐng)域，而且還有可能廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，甚至還可能開啟一個(gè)嶄新的“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”呢！

植物能產(chǎn)生氫氣

1931年，有學(xué)者首次報(bào)道，細(xì)菌能夠釋放氫氣。1942年，人們又發(fā)現(xiàn)，綠藻也能夠產(chǎn)生氫氣?，F(xiàn)在人們知道，大部分細(xì)菌和藻類都能夠在一定條件下制造氫氣。然而，植物是否也能夠產(chǎn)生氫氣呢？

1947年，博伊琴科發(fā)現(xiàn)，從藻類中分離的葉綠體能夠釋放氫氣。由于高等植物葉片都含有葉綠體，因此人們自然會(huì)推斷，高等植物都能產(chǎn)生氫氣。直到1961年，薩那德則才發(fā)現(xiàn)，高等植物葉片能夠釋放和利用氫氣。1964年，倫威克等發(fā)現(xiàn)，許多高等植物能夠釋放氫氣，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后，萌發(fā)速率加快。1986年，麥婀玲和吉布斯在萊茵衣藻的葉綠體中分離得到了具有產(chǎn)氫活性的氫化酶；據(jù)此推測，某些高等植物中也應(yīng)該存在氫化酶。1986年，托雷斯等發(fā)現(xiàn)，大麥根能產(chǎn)生并釋放氫氣，并檢測到氫化酶活性，確認(rèn)高等植物能夠釋放氫氣。

或許，當(dāng)時(shí)人們研究生物產(chǎn)氫的目的，僅在于獲取清潔的生物能源，并沒有意識到，氫氣對植物的生物效應(yīng)，而植物產(chǎn)生的氫氣無論從產(chǎn)量，還是收集方便性來看，都不如細(xì)菌和藻類；因此，高等植物產(chǎn)氫的研究長期受到冷落。

氫氣的植物學(xué)效應(yīng)非常顯著

最早發(fā)現(xiàn)氫氣的植物學(xué)效應(yīng)的，應(yīng)該是在1964年倫威克等發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后萌發(fā)速率更快。然而，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們并沒有對氫氣的植物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步深入探討。直到氫氣的醫(yī)學(xué)效應(yīng)得到廣泛關(guān)注之后，氫氣的植物學(xué)效應(yīng)才開始被重新關(guān)注。

最近，中國科學(xué)院華南植物園、上海第二軍醫(yī)大學(xué)以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員在氫氣的植物學(xué)效應(yīng)方面進(jìn)行初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫氣對植物的生理功能具有重要調(diào)節(jié)效應(yīng)，特別是對植物抵御逆境脅迫具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對綠豆、水稻以及苜蓿的種子萌發(fā)具有重要影響；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可提高水稻以及擬南芥的鹽脅迫抗性。此外，還發(fā)現(xiàn)氫氣水處理還能影響植物開花時(shí)間。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以誘導(dǎo)苜?？寡趸富蛞约把t素加氧酶1基因的表達(dá)并提高其酶活性，減輕由百草枯引起的氧化傷害。他們認(rèn)為，氫氣可能是一種經(jīng)由血紅素加氧酶1信號途徑減輕氧化傷害的氣體信號分子。他們還發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以提高水稻以及擬南芥的耐鹽性，而這種耐鹽性的提高可能與氫氣減輕了鹽脅迫誘發(fā)的活性氧傷害有關(guān)。此外，他們發(fā)現(xiàn)，氫氣能夠提高苜蓿重金屬鎘的抗性是因?yàn)闅錃馓岣吡塑俎５目寡趸芰Α?/span>

中國科學(xué)院華南植物園與上海第二軍醫(yī)大學(xué)的研究人員在證實(shí)氫氣具有抗氧化作用，可以誘導(dǎo)植物中的抗氧化酶基因的表達(dá)的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)氫氣可以通過影響植物激素受體蛋白基因的表達(dá)而調(diào)節(jié)植物激素的作用，同時(shí)植物激素以及脅迫因子能夠誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生氫氣。從基因進(jìn)化角度，推測產(chǎn)生氫氣的蛋白可能是來自水稻的氫化酶基因，發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)氫能力和推測的水稻氫化酶基因可以受到多種脅迫因素以及植物激素的誘導(dǎo)。

上述研究提示，氫氣可能是一種重要的植物氣體信號分子，它可能通過參與調(diào)控植物激素信號途徑影響植物的生長發(fā)育與逆境適應(yīng)。

氫氣是未來綠色農(nóng)藥

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大特點(diǎn)是大量使用化肥和農(nóng)藥。現(xiàn)在，農(nóng)藥和化肥的濫用產(chǎn)生環(huán)境污染、土壤破壞以及食品安全問題。由于氫氣的安全性以及氫氣水使用的經(jīng)濟(jì)性和方便性，使氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用前景將十分廣闊。最近，國內(nèi)數(shù)家農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)開展的農(nóng)田規(guī)?；囼?yàn)表明，氫氣和氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是無土栽培農(nóng)作物中，應(yīng)用效果十分顯著，對作物的營養(yǎng)價(jià)值也有一定正面效應(yīng)。

在未來，農(nóng)民可以使用氫水替代或部分替代農(nóng)藥和化肥，讓農(nóng)作物抗病、抗蟲和抗旱、抗鹽等能力增強(qiáng)，同時(shí)，產(chǎn)品品質(zhì)提升、產(chǎn)量增加。這是多么令人激動(dòng)的“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”啊！

氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

種子萌發(fā)：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以促進(jìn)冬黑麥種子的萌發(fā)速率，氫水處理可以促進(jìn)苜蓿等植物種子的萌發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)促進(jìn)氫氣在提高種子萌發(fā)率方面的應(yīng)用。

花期調(diào)控：目前已經(jīng)觀察到，玫瑰等植物在氫水處理后改變花期的現(xiàn)象。研究也發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)控植物開花相關(guān)植物激素受體蛋白基因的表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)提示，氫水在園藝方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

提高抗逆性：干旱和鹽堿等逆境脅迫，往往造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn)，氫水可提高水稻、擬南芥以及苜蓿等植物的抗鹽堿、干旱等逆境的能力。使用氫水對農(nóng)作物進(jìn)行滴灌或噴灌，將提高農(nóng)作物的抗逆能力，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

提高病蟲害抗性：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)節(jié)許多植物激素受體蛋白基因的表達(dá)，其中就包含與抗病蟲害相關(guān)的植物激素水楊酸和茉莉酸。使用氫水澆灌、噴灌的農(nóng)作物將可能提高農(nóng)作物的病蟲害抗性，代替農(nóng)藥或減少農(nóng)藥的使用，從而保護(hù)環(huán)境、提高食品安全。

提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)：使用氫水澆灌的農(nóng)作物，比如一些蔬菜、瓜果，可能更加香甜可口。

減少化肥的使用：由于氫氣可調(diào)節(jié)植物激素如生長素、細(xì)胞分裂素等的作用，氫水處理往往可以促進(jìn)植物的生長。目前已經(jīng)觀察到氫水對綠豆等植物的生長具有明顯的促進(jìn)作用。因此，將來有可能廣泛應(yīng)用氫水澆灌農(nóng)作物，促進(jìn)植物旺盛生長，從而可以減少化肥的使用。

農(nóng)作物產(chǎn)品保鮮：由于氫氣的抗氧化特性，使用氫氣或氫氣與其它氣體的混合氣體可能將有助于農(nóng)作物產(chǎn)品的保鮮。由于氫氣的安全性，沒有毒害、沒有殘留，與其它化學(xué)藥劑處理保鮮的農(nóng)產(chǎn)品相比，具有很強(qiáng)的食品安全優(yōu)勢。

漁業(yè)生產(chǎn)：水產(chǎn)業(yè)盡管目前沒有開展相關(guān)研究。考慮到氫氣對動(dòng)物疾病預(yù)防和治療的顯著效果，因此也是非常值得期待的一個(gè)領(lǐng)域。

“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”令人向往，但是目前需要許多深入研究與試驗(yàn)要做。首先是探討氫氣對植物效應(yīng)的作用機(jī)理，為氫氣農(nóng)業(yè)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)；其次，是要進(jìn)行大規(guī)模氫氣農(nóng)業(yè)的田間試驗(yàn)，搞清楚氫氣及氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的使用方法和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，包括使用的濃度、施用的量、施用的次數(shù)以及施用方法，在農(nóng)作物生長的哪個(gè)階段使用更有效，等等。不同的農(nóng)作物可能有不同的時(shí)期和用量使用要求。

我們相信，隨著這些問題的逐步得以解決，“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”將快步向我們走來。

原文：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-740795.html