楊文強
中國科學院植物研究所、 國家植物園研究員
藻類是世界上古老的生物，大約在三十億年前将氧氣帶入地球，今天藻類為地球提供着80％以上的氧氣并固定了一般的二氧化碳。不僅如此，海藻還是大自然早在10億年前就送給地球的最大蛋白質的“蛋糕”。藻類在諸多領域默默地奉獻着，默默地守護着我們的家園。
演講實錄：我給大家帶來的故事，是關于藻類的一個故事，想講講藻類怎麼守護着我們，怎麼是人類偉大的功臣。
我想問大家一個問題，左邊這張圖是氧氣，大家知道我們呼吸的氧氣是哪來的嗎？很多朋友都知道我們呼吸的氧氣是光合作用的結果，很多人認為是陸地上的植物，包括森林等的植物，貢獻了我們絕大多數的氧氣。但實際上不是，實際上是藻類貢獻了我們氧氣的50%，甚至有的科學家提出，藻類提供了人類80~90%的氧氣，同時利用這些氧氣可以形成臭氧層，保護我們免受紫外線的傷害，是以說從這一點上來講，藻類是非常非常偉大的。
我們知道地球出現是在46億年前左右，我們有生命出現的是在37~35億年前，我們有藍藻出現的時候是在33~32億年，單細胞真核的綠藻出現是在15~14億年，緊接着出現了多細胞和大型藻類，這個時間跨度稍微長一點。緊接着發生了一個很重要的事件，植物登陸，從水中到了陸地上，植物和藻類分家大概在4億年左右，相繼出現了苔藓、蕨類、裸子、被子植物。我們原始人類出現大概是在500萬年前，是以說相對藻類的出現，我們人類的出現太晚了。
正是因為藻類的出現，改變了地球的狀态。我們知道地球上充斥着很多的二氧化碳，由于藻類等耗氧生物的大爆發，進行了瘋狂的光合作用，釋放了大量的氧氣，把空氣中的二氧化碳濃度，降低到我們現在300~350個ppm，同時提高氧氣濃度，到目前為止有21%的這樣的濃度，是以說藻類是非常非常偉大的。
藻類登陸了以後，才有了更多種的植物，才有了我們生物多樣性，才有了人類的進化，才有了我們現在的大千世界。你所見到的海洋裡面美麗的珊瑚等等，這些都是藻類的貢獻，是以藻類也是海洋生态系統，和生物群落的基石，可想而知沒有藻類的是非常非常可怕的。
藻類的生活環境是多種多樣的，你可以想象藻類絕大部分生活在海洋中，生活在湖泊中，生活在土壤中，生活在沼澤中，還有很多藻類特别喜歡生活在一些極端的環境裡，比如說高鹽的環境、深海的環境、冰川裡、雪山裡、沙漠裡、溫泉裡、極酸的或極堿的環境，這些為我們提供了寶貴的财富。比如說我們用的能源，化石能源裡的石油，天然氣，它們竟然是來源于古代的藻類，也可以講是我們的祖先藻類。
我們在很多方面利用了藻類，比如說大家吃了很多海帶紫菜，吃過深海魚油，還有吃過螺旋藻粉，小球藻粉，還有現在比較風靡的蝦青素，岩藻黃素等等。實際上這些都是藻類，進行光合作用以後形成的碳水化合物，再進而去形成次級産物的這麼一個過程。也就是說，我們利用藻的過程，就是利用了它光合作用以後，形成的碳水化合物，無論是初級産物，還是次級産物。我們用的生物柴油、澱粉、飛機上用的航空油，包括很多高附加值産品都是這樣，藻類就是在這樣點點滴滴的事情上，時時刻刻保衛和守護着我們。
這張圖可以看到，左邊的圖是美國的NASA釋出的，一張全球海洋的葉綠素熒光圖，右邊是我們國家海洋局釋出的，圖中藍色的都是浮遊生物，也就是說正在進行光合作用的藻類，是非常非常震撼的。
光合作用看似簡單，它的底物就是水，把水裂解，然後把二氧化碳固定，最後形成我們的碳水化合物，釋放出氧氣的一個過程，是光催化的一個過程。光合作用可以簡單的分成一個光反應，和一個暗反應的過程，你也可以把光合作用了解成，一個從光能經過光合生物變成電能，再從電能變成不穩定的化學能，最後固定二氧化碳，形成穩定的化學能這樣一個過程。
光合作用看似簡單，實際上的調控卻非常精細和複雜。由于光合作用，每一年我們可以産生，大于10的17次方千卡的自由能，同時它可以固定2,200億噸——2,500億噸的生物質。這個量大概是我們人類每一年需要能量的10倍，可見光合作用很重要，藻類進行的光合作用更重要。
我一直在想一個問題，光合作用這麼重要，它的調控這麼精細，是如何去完成它的調控的？我們的團隊利用一個很小的模式生物萊茵衣藻，左邊這張圖是畫的模式圖，看着很大，其實我們肉眼是看不見的，它隻有5~7個微米，它是一個單倍體的，單細胞的，真核綠藻，非常牛，大約有18,000個基因。我們看，主要的綠色部分是它的葉綠體，它有葉綠體，它有細胞壁，它可以進行光合作用，它是一個植物的特性；同時我們看它這裡邊還有眼睛，能感受到光，還有鞭毛可以遊泳，還可以交配，這些是典型的動物特征；那麼也就造就了包括萊茵藻在内的藻類，在分類學上地位非常特殊，我們管它叫原生生物。
右邊這段視訊是我們在顯微鏡下拍的，萊茵衣藻平常在遊動的視訊。你會神奇地發現，當一個藻去遊泳的時候，它前面有另外一個藻，它不會撞上去，它能看見會躲開它，非常神奇。它有鞭毛能擺動，鞭毛裡在發生非常繁忙的運輸過程，竟然有的藻類，鞭毛旋轉的速度，能達到每一秒鐘1700轉，這個速度是非常驚人的。
我們采取遺傳學的手段，去研究光合作用的調控機制。就是本來它長那個樣子，我們經過一些實體和化學的方法，讓它某一些基因突變，突變以後，我們再看它長成什麼樣子。這時候我們去尋找一些突變性基因，比如它可以在黑暗條件下，也就是外界碳源的條件下生長，但是在光下不能進行自養，不能進行光合作用的這些突變體。
在這圖裡大家可以看到，我們就發現了很多見光以後就不能生長的突變體，我們就懷疑它們可能不能利用光，或者是不能進行高效的光合作用。這個是我們日常培養藻類的一些情況，因為萊茵衣藻比較喜歡紅光和藍光，這個屋子裡頭特别刺眼睛，每次進去以後都要戴上護目鏡，是以說每次回來以後 我都會自豪地講，我剛從我們萊茵衣藻的拉斯維加斯回來，給人的感覺是燈紅酒綠一樣。中間這個圖檔是我們在研究很多重要的基因，包括蛋白功能的時候，我們要知道它的定位在哪，是定位在細胞膜上，還是定位在細胞質上，還有葉綠體上等等。
我又在想另外一個問題，就像我們人類白天工作，晚上的時候我們需要睡覺一樣，我們很多光合生物，也是需要白天進行光合作用，但是晚上的時候它要進行呼吸作用。白天的時候把二氧化碳固定，釋放出氧氣，形成碳水化物，但是晚上的時候，要把碳水化合物進行降解掉，進行呼吸作用，同時釋放出二氧化碳的過程。經曆了黑暗的光合生物，一旦接收光，它會迅速地傳回到光合作用中去，那麼黑暗中是如何調控的？光合生物是如何适應黑暗的？這是我們關注的另外一個科學問題。
我們又采取遺傳學的手段去尋找，這回我們尋找相反的，尋找一些在黑暗條件下就不長了，給它放到光條件下進行光合作用，又長的這些突變體，我們推測某一些基因的突變，就造成了藻不能完成黑暗适應這一個過程。經過不懈的努力，我們找到了一個非常關鍵的因子，叫做FDX5。我們可以看到最左邊的中間那張圖，在黑暗條件下這個藻就不長了，後來我們發現FDX5的功能特别強大，它可以調控脂肪酸代謝，可以調控膜脂代謝，還可以調控氧化還原平衡，去影響暗中适應，進而影響藻類傳回到光條件下，進行光合作用的能力。
同時我們在研究黑暗适應的過程中，我們提出一個很重要的概念叫氫氧反應。顧名思義就是這裡邊有氫氣，有氧氣，我們知道氫氣和氧氣，混在一起是非常危險的，對吧？後來我們經過不懈的努力，找到一個合适的氫氣、氧氣、氮氣和二氧化碳的濃度，就是在黑暗條件下，我們怎麼能讓藻類也可以生長的，一個外界給碳源的條件。
人們在研究過程中，會發現一株植物的不同的器官，比如說它的果實、它的莖稈、它的籽粒，包括馬鈴薯的塊莖，不同部位的氧氣濃度是不一樣的。它的氧氣濃度為什麼是不一樣的呢？而且人們也發現，在自然環境中有很多氧氣濃度特别低的這種情況，我們知道現在空氣中的氧氣濃度是21%，我們管沒有氧氣的條件叫做缺氧的條件，把小于21% 大于0的這一系列的氧氣濃度，都叫做缺氧。
比如豆科植物在結瘤固氮的時候，需要的環境就是沒有氧氣的。還有在藍藻中有一類固氮的藍藻，它有個獨特的細胞叫異形胞，異形胞内也是不能有氧氣的，否則有氧氣就不可能完成固氮的過程。我們還發現葉瘤， 在水底下長的很多水生植物，它進行的光合作用，和我們正常的光合作用是不一樣的。還有我們談之色變的癌症，癌細胞中都是氧氣濃度特别低的，我們經常做有氧運動等，可以增加氧氣濃度去攻擊癌細胞，減少我們患癌的風險。
還有的科學家發現，氧氣在植物幹細胞分化的過程中，起很重要的作用。大家可以看，圖上橘黃色的小點點，如果氧氣的濃度改變，植物幹細胞就不可能完成正常的分化，這個現象在花藥的分化過程中也發現了。這也就改變了我們認為，厭氧隻是一種脅迫的看法，我們可以認為厭氧是一種信号，作為一種信号在生物體生長過程中，起到很重要的調控的作用。
同時我們發現如果氧氣沒有了，藻類還可以産氫氣。當然産氫氣是科學家很早之前就發現了，我們系統的總結了，藻類如何利用不同的條件，不同的通路去産氫氣，一共總結了三條産氫氣的通路。我們也系統地研究了，藻類是如何放氫的。比如它主要有一個過程，大家可能知道，生物化學裡的概念叫糖酵解，就是把它積累的澱粉，最後降解成我們需要的丙酮酸，再進而被降解成不同的底物。
我們當時在設想，把通路改到産氫氣，到圖中紅色的小塊上去走，産生更多的氫氣。我們就試圖關閉其他的通路，但是似乎我們每次關閉一個通路，就會産出一個新的化合物，這個是我們始料不及的，是以産氫這個調控是非常複雜的。我們發了很多關于調控的文章，也發現了其中很多有意思的現象，比如我們發現衣藻在黑暗條件下，它有兩條乙酸合成的通路，一條定位線上粒體裡，一條定位在葉綠體裡。後來我們在這篇文章裡系統總結了，藻類黑暗厭氧是如何調控的機制。
我們剛才講了很多光合作用的調控，光合作用如何适應黑暗，包括缺氧等條件的調控等等。我們所有研究光合作用人的夢想，就是提高光能利用效率，讓光合作用更加高效的實作。藻類有非常高效的光合作用能力，和植物相比，它的理論光能利用效率，可以達到最高20%，植物最高的理論值隻有5%。總結發現在藻類的生活環境，生長能力，環境适應能力，包括光反應，暗反應，以及光保護能力等方面，藻類都有很多和植物不一樣的地方，是以造就了它有這麼高的光能利用效率。
于是我們就想，能不能借鑒藻類裡的高光能用效率，将這些科學發現應用到作物上去，提高作物的産量。也鑒于藻類光合作用發生的場所，葉綠體的調控機制，和光合作用的很多調控機制比較類似，但是我們藻類的生育期特别短，比如像我們種植物，一年我們國家不同的地方，可以種不同的代數，最多可以種到一年三季。我們在藻類的挖掘出的因子，重要的一些調控的蛋白等，就運用到作物上去，改造作物的性狀。
我總講我們身邊的植物也好，作物也好，它們是不以我們人類的意志存在而存在的，它們的目的就是為了活着。我們人們的目的，是讓它根據我們的需求提高更多的産量，讓它變得更好吃、長得更高、更矮等等，是以說我們有很大的空間可以去改造它們。
我們首先做的就是在藻類中挖掘出了一個很重要的蛋白，我們用在了水稻上，發現在實驗室裡可以提高産量30%，在大田裡可以提高産量10%~15%，這個效果還是非常可觀的。同時我們也試了這個關鍵的調控蛋白，在番茄裡，在生菜裡，用上我們挖掘的關鍵蛋白以後，它的産量增加幅度特别大。
我們知道我們國家大豆的需求量特别大，但是每一年，我們國家産的大豆隻有1,500萬噸，去年進口量已經超過了1億噸。我們一直在想，能不能各方面去努力，提高我們國家的大豆産量。我們在藻類挖了很多，跟固碳相關的基因去改造大豆。我們看第一排是對照，下面這幾行都是經過我們改造以後，大豆的籽粒變大，産量增加了。我們希望這方面的努力，也能從藻類裡，光合作用裡挖掘出來，這些關鍵因子用到作物的改良上去，能為我們國家的糧食安全保障做一部分貢獻。
目前我們在藻類中挖掘了很多關鍵的因子，比如改造的一個關鍵的因子叫做RuBisCO。RuBisCO是什麼呢，就是1,5二磷酸核酮糖羧化酶，也就是我們光合作用中很重要的，為什麼能固定二氧化碳的那個酶。藻類裡的RuBisCO，多數的活性度特别高，是以我們就想，能不能挖掘幾個高的RuBisCO，替換掉谷子裡的RuBisCO，讓它實作更多的固碳，為我們國家的谷子生産，提質增效也做出一定的貢獻。
我們講藻類有個非常獨特的特性，可以把環境中的二氧化碳濃縮起來，濃縮到1000倍以上。這個量很驚人，主要是它有兩個很獨特的細胞器，一個是叫羧基體，另外一個是叫蛋白核。當然了，二氧化碳從體外進到細胞系中，可謂是沖破千難險阻，我們管這個過程叫做二氧化碳的濃縮機制。藻類的機制在植物進化過程中丢掉了，我們在想能不能把藻類裡的二氧化碳的濃縮機制，包括藍藻裡的羧基體，綠藻和其他藻類的蛋白核，應用到作物上去，讓它實作更高效的固碳，我們也開始着手做這部分的工作。
同時我們還積極參加另外一些個課題，相關的研究也是基于藻類。我們知道，我們國家有登月計劃，有太空計劃，還有火星計劃等等，這次我們的神舟十四帶回了水稻的種子。那麼藻類在航天生命保障系統中，将發揮着非常重要的作用，是以我們也參與一部分研究。
藻類現在保守估計大概有10萬種，有的人說有20萬種，有人還講有100萬種，每一天都陸續有新藻類被報道。地球上的生物經曆過了五次大滅絕，尤其是最後一次滅絕的時候，80~90%的生物都已經滅絕了，但是藻類依舊存在。我想講的是，如果地球經曆第六次大滅絕，80% ，90%，甚至更多的生物滅絕了以後，藻類還是可以存在，主要因為它可以很好的适應環境，很高效的進行光合作用。
研究藻類的這門學問叫做Phycology，和另外心理學的詞Psychology特别相近。是以我在美國的時候，跟很多人在談的時候，說Phycology ，人們很不了解問，說你講的是Psychology嗎？因為在他們的心目中認為，心理學對他們很關鍵。但是我想說的是，藻類學也非常關鍵。我希望有更多的人關注我們的藻類，關注我們地球的守護者，也将來有更多的年輕的朋友，包括科學家投入到我們的藻類研究中來。
來源:CC講壇