杨文强
中国科学院植物研究所、 国家植物园研究员
藻类是世界上古老的生物，大约在三十亿年前将氧气带入地球，今天藻类为地球提供着80％以上的氧气并固定了一般的二氧化碳。不仅如此，海藻还是大自然早在10亿年前就送给地球的最大蛋白质的“蛋糕”。藻类在诸多领域默默地奉献着，默默地守护着我们的家园。
演讲实录：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，怎么是人类伟大的功臣。
我想问大家一个问题，左边这张图是氧气，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，很多人认为是陆地上的植物，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，保护我们免受紫外线的伤害，所以说从这一点上来讲，藻类是非常非常伟大的。
我们知道地球出现是在46亿年前左右，我们有生命出现的是在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。紧接着发生了一个很重要的事件，植物登陆，从水中到了陆地上，植物和藻类分家大概在4亿年左右，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，所以说相对藻类的出现，我们人类的出现太晚了。
正是因为藻类的出现，改变了地球的状态。我们知道地球上充斥着很多的二氧化碳，由于藻类等耗氧生物的大爆发，进行了疯狂的光合作用，释放了大量的氧气，把空气中的二氧化碳浓度，降低到我们现在300~350个ppm，同时提高氧气浓度，到目前为止有21%的这样的浓度，所以说藻类是非常非常伟大的。
藻类登陆了以后，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，所以藻类也是海洋生态系统，和生物群落的基石，可想而知没有藻类的是非常非常可怕的。
藻类的生活环境是多种多样的，你可以想象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，比如说高盐的环境、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。比如说我们用的能源，化石能源里的石油，天然气，它们竟然是来源于古代的藻类，也可以讲是我们的祖先藻类。
我们在很多方面利用了藻类，比如说大家吃了很多海带紫菜，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，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，再进而去形成次级产物的这么一个过程。也就是说，我们利用藻的过程，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。我们用的生物柴油、淀粉、飞机上用的航空油，包括很多高附加值产品都是这样，藻类就是在这样点点滴滴的事情上，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，一张全球海洋的叶绿素荧光图，右边是我们国家海洋局发布的，图中蓝色的都是浮游生物，也就是说正在进行光合作用的藻类，是非常非常震撼的。
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，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，实际上的调控却非常精细和复杂。由于光合作用，每一年我们可以产生，大于10的17次方千卡的自由能，同时它可以固定2,200亿吨——2,500亿吨的生物质。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，藻类进行的光合作用更重要。
我一直在想一个问题，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？我们的团队利用一个很小的模式生物莱茵衣藻，左边这张图是画的模式图，看着很大，其实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，真核绿藻，非常牛，大约有18,000个基因。我们看，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，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藻在内的藻类，在分类学上地位非常特殊，我们管它叫原生生物。
右边这段视频是我们在显微镜下拍的，莱茵衣藻平常在游动的视频。你会神奇地发现，当一个藻去游泳的时候，它前面有另外一个藻，它不会撞上去，它能看见会躲开它，非常神奇。它有鞭毛能摆动，鞭毛里在发生非常繁忙的运输过程，竟然有的藻类，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。
我们采取遗传学的手段，去研究光合作用的调控机制。就是本来它长那个样子，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，比如它可以在黑暗条件下，也就是外界碳源的条件下生长，但是在光下不能进行自养，不能进行光合作用的这些突变体。
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情况，因为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 我都会自豪地讲，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。中间这个图片是我们在研究很多重要的基因，包括蛋白功能的时候，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。
我又在想另外一个问题，就像我们人类白天工作，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。经历了黑暗的光合生物，一旦接收光，它会迅速地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就不长了，给它放到光条件下进行光合作用，又长的这些突变体，我们推测某一些基因的突变，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。我们可以看到最左边的中间那张图，在黑暗条件下这个藻就不长了，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，进而影响藻类返回到光条件下，进行光合作用的能力。
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，混在一起是非常危险的，对吧？后来我们经过不懈的努力，找到一个合适的氢气、氧气、氮气和二氧化碳的浓度，就是在黑暗条件下，我们怎么能让藻类也可以生长的，一个外界给碳源的条件。
人们在研究过程中，会发现一株植物的不同的器官，比如说它的果实、它的茎秆、它的籽粒，包括马铃薯的块茎，不同部位的氧气浓度是不一样的。它的氧气浓度为什么是不一样的呢？而且人们也发现，在自然环境中有很多氧气浓度特别低的这种情况，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% 大于0的这一系列的氧气浓度，都叫做缺氧。
比如豆科植物在结瘤固氮的时候，需要的环境就是没有氧气的。还有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，否则有氧气就不可能完成固氮的过程。我们还发现叶瘤， 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，我们经常做有氧运动等，可以增加氧气浓度去攻击癌细胞，减少我们患癌的风险。
还有的科学家发现，氧气在植物干细胞分化的过程中，起很重要的作用。大家可以看，图上橘黄色的小点点，如果氧气的浓度改变，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了。这也就改变了我们认为，厌氧只是一种胁迫的看法，我们可以认为厌氧是一种信号，作为一种信号在生物体生长过程中，起到很重要的调控的作用。
同时我们发现如果氧气没有了，藻类还可以产氢气。当然产氢气是科学家很早之前就发现了，我们系统的总结了，藻类如何利用不同的条件，不同的通路去产氢气，一共总结了三条产氢气的通路。我们也系统地研究了，藻类是如何放氢的。比如它主要有一个过程，大家可能知道，生物化学里的概念叫糖酵解，就是把它积累的淀粉，最后降解成我们需要的丙酮酸，再进而被降解成不同的底物。
我们当时在设想，把通路改到产氢气，到图中红色的小块上去走，产生更多的氢气。我们就试图关闭其他的通路，但是似乎我们每次关闭一个通路，就会产出一个新的化合物，这个是我们始料不及的，所以产氢这个调控是非常复杂的。我们发了很多关于调控的文章，也发现了其中很多有意思的现象，比如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。后来我们在这篇文章里系统总结了，藻类黑暗厌氧是如何调控的机制。
我们刚才讲了很多光合作用的调控，光合作用如何适应黑暗，包括缺氧等条件的调控等等。我们所有研究光合作用人的梦想，就是提高光能利用效率，让光合作用更加高效的实现。藻类有非常高效的光合作用能力，和植物相比，它的理论光能利用效率，可以达到最高20%，植物最高的理论值只有5%。总结发现在藻类的生活环境，生长能力，环境适应能力，包括光反应，暗反应，以及光保护能力等方面，藻类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，能不能借鉴藻类里的高光能用效率，将这些科学发现应用到作物上去，提高作物的产量。也鉴于藻类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，比如像我们种植物，一年我们国家不同的地方，可以种不同的代数，最多可以种到一年三季。我们在藻类的挖掘出的因子，重要的一些调控的蛋白等，就运用到作物上去，改造作物的性状。
我总讲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，是让它根据我们的需求提高更多的产量，让它变得更好吃、长得更高、更矮等等，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，我们用在了水稻上，发现在实验室里可以提高产量30%，在大田里可以提高产量10%~15%，这个效果还是非常可观的。同时我们也试了这个关键的调控蛋白，在番茄里，在生菜里，用上我们挖掘的关键蛋白以后，它的产量增加幅度特别大。
我们知道我们国家大豆的需求量特别大，但是每一年，我们国家产的大豆只有1,500万吨，去年进口量已经超过了1亿吨。我们一直在想，能不能各方面去努力，提高我们国家的大豆产量。我们在藻类挖了很多，跟固碳相关的基因去改造大豆。我们看第一排是对照，下面这几行都是经过我们改造以后，大豆的籽粒变大，产量增加了。我们希望这方面的努力，也能从藻类里，光合作用里挖掘出来，这些关键因子用到作物的改良上去，能为我们国家的粮食安全保障做一部分贡献。
目前我们在藻类中挖掘了很多关键的因子，比如改造的一个关键的因子叫做RuBisCO。RuBisCO是什么呢，就是1,5二磷酸核酮糖羧化酶，也就是我们光合作用中很重要的，为什么能固定二氧化碳的那个酶。藻类里的RuBisCO，多数的活性度特别高，所以我们就想，能不能挖掘几个高的RuBisCO，替换掉谷子里的RuBisCO，让它实现更多的固碳，为我们国家的谷子生产，提质增效也做出一定的贡献。
我们讲藻类有个非常独特的特性，可以把环境中的二氧化碳浓缩起来，浓缩到1000倍以上。这个量很惊人，主要是它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。当然了，二氧化碳从体外进到细胞系中，可谓是冲破千难险阻，我们管这个过程叫做二氧化碳的浓缩机制。藻类的机制在植物进化过程中丢掉了，我们在想能不能把藻类里的二氧化碳的浓缩机制，包括蓝藻里的羧基体，绿藻和其他藻类的蛋白核，应用到作物上去，让它实现更高效的固碳，我们也开始着手做这部分的工作。
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，有太空计划，还有火星计划等等，这次我们的神舟十四带回了水稻的种子。那么藻类在航天生命保障系统中，将发挥着非常重要的作用，所以我们也参与一部分研究。
藻类现在保守估计大概有10万种，有的人说有20万种，有人还讲有100万种，每一天都陆续有新藻类被报道。地球上的生物经历过了五次大灭绝，尤其是最后一次灭绝的时候，80~90%的生物都已经灭绝了，但是藻类依旧存在。我想讲的是，如果地球经历第六次大灭绝，80% ，90%，甚至更多的生物灭绝了以后，藻类还是可以存在，主要因为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，和另外心理学的词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。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，包括科学家投入到我们的藻类研究中来。
来源:CC讲坛