藻类：神奇的“炼金术士”
藻類是地球上真正了不起的“炼金术士”。藻类以太阳光为动力.吸收二氧化碳，再加上水和少量的矿物质，将其转化为有机物。更妙的是，在藻类施展这套组合魔法时所释放出来的废弃物——氧气，对地球生物来说却是弥足珍贵不可或缺的。我们吸入的氧气中至少有50%都是由藻类产生的。对藻类来说是废物的东西，对所有需要呼吸的动物来说都是无价之宝。没有藻类，包括人类在内的绝大部分生物就都会因缺氧而喘不过气来。
藻类让地球生机盎然
地球上的藻类资源极其丰富。每一滴海水中都含有几千个这种我们肉眼看不见的微小生物。海藻是海洋食物链底层微小食草动物的基本食物，假如哪一天地球上所有的藻类都消失了，那么，许多水生生物（从食物链底层的磷虾，到食物链顶端的鲸鱼）都会很快被饿死。
如果没有藻类从20多亿年前就开始为地球大气提供氧气，那么海洋中的多细胞生物也许永远都不会出现。小球藻是最早出现的藻类之一。在大约5亿年前，它们开始适应陆地上的生活，并逐渐进化成地球上的各种植物，如果没有这些植物作为食物，3.6亿年前从水里爬上岸的第一批海洋动物就不可能生存下来，也不可能继续演化成为我们今天所知道的多样化的所有陆地生物。如果几百万年前，我们的祖先没有鱼类和其他以藻类为食的水生生物作为食物，也就无法获得某些关键的营养物质，人类也就不会进化出超发达的大脑。总之，没有藻类，就不会有如今蓬勃兴旺的地球生物圈。
不仅活着的藻类对地球生命的进化和存续贡献巨大，甚至在藻类死亡后的很长一段时间内也继续发挥着重要的影响。死亡藻类已不能成为水生动物和细菌的食物，这些极其微小的碳物质颗粒就像纷纷扬扬的降雪一样在海水中持续飘向海底，并静静地积累起来。这些碳在海底被封存了亿万年。通过将二氧化碳从大气中转移到海底长期储存，藻类帮助我们的星球避免成为一个生命无法忍受的巨大温室。大约5000万年前，当北极最后一次无冰年出现的时候，长达100万年的藻类大爆发为地球大气降温做出了巨大贡献，并帮助创造了今天的寒冷北极。
至今为止，藻类学家已经确认了的藻类大约72万种，但尚未命名的藻类种数可能是这个数目的十倍之多。今天，藻类生活在地球上的每一个角落，从南极洲冰层下看不见的地方，到内华达山脉的雪峰上，从沙漠的沙子里到岩石缝隙中，从树上到三趾树懒的皮毛里……藻类顽强生长的身影无处不在。藻类在珊瑚体内与之共生，如果没有藻类的相生相伴，珊瑚无法生存。珊瑚礁是世界上25%鱼类的家园，也为地球上数亿人类提供经济支持，但令人心痛的是，如今海洋珊瑚礁正以令人震惊的速度在死亡，原因是海洋变暖破坏了藻类与宿主之间的共生关系。
藻类究竟是什么？
藻类到底是什么呢？没有确切的答案。藻类并不是一个精确的术语。也不是一个像动物界、人属或智人物种那样的分类类别。藻类是一个代表很多生物体的术语。按照进化的顺序，藻类可分为三种类型：其中最小、最古老的藻类是单细胞藻类，单细胞藻类中小球藻是地球上最早的生命之一：其二是肉眼看不见、但内部结构复杂的微藻;最后一种，也是最美味的一种，是我们肉眼可见的海藻，或称“大海藻”。无论是直径小到只有人类头发十分之一的小球藻，还是大到超过50米的巨藻，藻类都具有某些共同的特征：它们几乎都会产生光合作用，少数不进行光合作用的物种也曾经有过光合作用的历史。
藻类的定义还包括它们“不是什么”。尽管藻类和植物都进行光合作用，但藻类不是植物。直到20世纪，藻类还被认为是植物王国的成员。毕竟许多海藻看起来确实像植物，生长在潮湿土壤上的微藻群落看起来极像苔藓。虽然如此，藻类与植物有根本区别。藻类可以轻松自如地在水中漂浮，沐浴在阳光下，生活在营养物质丰富的水体环境中。营养物质很容易穿过藻类的细胞壁进入细胞质。
你永远不会看到藻类会像植物一样开满鲜花，飘散花香，或以种子和浆果炫耀于世间。藻类没有花瓣或花蜜，没有雌蕊或雄蕊，没有树木那样的树皮防止干燥，也没有支撑它们直立起来的树干，因此藻类只能努力吸收更多的太阳能量来帮助自己生长和繁衍。但在制造我们人类所需要的营养物质（如碳水化合物、蛋白质和维生素等）方面，以及在石油和矿物质的积累方面，藻类的生产力是植物的几十倍。
藻类大受人们喜爱
我们可以通过食用海藻直接获得许多营养物质，尤其是海藻中对人体健康十分有益的奥米伽-3。每年从东亚水田中收获的海藻或从新英格兰、加拿大大西洋和北欧沿海采集的海藻达2500多万吨，价值超过60亿美元。在日本和韩国的饮食结构中，海藻约占10%;美国各大超市的货架上摆满了各种各样的干海藻产品。藻类在欧洲的销售也一样广泛。海藻的销量在全球范围内一直都在增长。海藻如此受欢迎的原因是：营养丰富，口感鲜美（鲜味是我们舌头能感知的五种基本口味之一）。
我们吃的大多数藻类都是大型藻类。科学家也在对微小的藻类进行基因修改，研究如何更好地加工和销售这些藻类供人类食用。哪怕你没有选择直接吃藻类，当你吃各种海鲜时，也可能会间接地收获海藻的营养物质。以藻类为食的野生海洋动物的体内会积累起大量藻类所含的奥米伽-3，所以你也会从中间接受益。我们今天吃的鱼类有一半来自于人工水产养殖，人们越来越多地用玉米和大豆来喂养这些鱼类。那么，我们可以选择用微藻喂养这些鱼类，来获得更丰富的营养物质吗？巴西一家公司正是这么做的，他们在鱼塘里种植藻类。
藻类有时是我们生活中隐而不见的一部分。我们的厨房里到处都有藻类的存在：藻类被添加在冰淇淋中，以防止冰晶形成;藻类被添加在巧克力奶中可让可可浮在上面;藻类被添加在沙拉酱中可让各种成分充分混合……其他许多食物中也都有它们的存在。例如，我们饮用的自来水，在水处理厂里的除氮、除磷或颗粒物滤除工艺中，都有可能利用藻类来进行过滤处理。我们日常食用的水果和蔬菜也有可能生长在富含藻类的土壤中，这样一来我们在食用水果时也能吸收到藻类中的营养物质。在我们的浴室里也可以找到藻类的身影：藻类可以让你的沐浴乳变得更黏稠，让你的护发素乳化，让你的牙膏形成凝胶状。藻类还被覆盖在一些日常普通药片上。如今海藻还有可能出现在你的脚上，美国一家公司正在用池塘里的藻类浮渣来做跑鞋鞋底。
藻类也带给人们困扰
尽管藻类很有用，但太多海藻也并非好事。随着全球变暖，过度生长的藻类正在侵占着越来越多的湖泊和海湾。一些藻类疯长造成的“赤潮”现象可能还只是难看而已，并无大碍，但还有一些藻类过度生长却会对包括人类在内的动物造成极大危害。2018年，美国佛罗里达州的7个县进入紧急状态——海藻疯长导致水体缺氧，数百万死鱼被冲上墨西哥湾沿岸，空气中有毒有害颗粒增多，导致因呼吸系统疾病入院的人数增加50%。
藻类本身虽然并不产生毒素，但藻类过多繁殖间接地形成了水生环境中的“死亡区”（基本没有溶解氧的水体区域）。在一些“死亡区”，几乎没有任何生物可以生存下去。现在世界各地这样的死亡区已超过400个，覆盖面积达数万甚至数十万平方千米，这个数字每年还在继续增加。
藻类强大的繁殖能力对许多动物的生存和人们的生计也造成了威胁，那么，我们是否可以利用海藻的这种惊人生产力来造福环境呢？随着世界各地的汽车、工厂和发电厂不断向大气中排放二氧化碳，藻类也可能在净化大气中发挥作用。科学家们正在研究如何增加藻类的数量，从而让它们从大气中吸收更多的二氧化碳，并将其封存在海底。
藻類应用前景广阔
改善环境
应对地球环境变化，藻类是我们可以借助的重要力量之一。虽然一些地方藻类数量激增给我们带来越来越多的困扰，但我们可以利用它们帮助修复被污染的水体环境;在我们应对气候变暖的过程中，补充铁的藻类可帮助去除大气层中含量过高的二氧化碳。
2018年5月，德国科学家宣布，可采用一项低成本的技术，把利用依靠废气生长的藻类转化为轻质、柔韧但强度高的碳纤维。目前，越来越多地用于飞机、汽车和建筑中以取代钢铁、铝和混凝土的合成纤维是用石油制成的，其生产过程中会产生大量碳足迹。但如果我们能利用藻类生产碳纤维，就可以大量减少碳排放。
生物燃料
藻类以石油的形式储存能量，就像马铃薯植物以糖的形式储存块茎中的能量一样。多年来，科学家和工程师一直在人工池塘中培育藻类，收集藻类的油脂，将其转化为交通运输所用的燃料。美国海军已经用藻类燃料为船只和飞机提供动力。藻类燃料的价格正在下降，但仍然过高，无法与化石燃料竞争。然而，新的生物工程、收集和转化技术可以降低藻类燃料的生产成本。由于运输过程中约12%的二氧化碳排放来自喷气式发动机，因此藻类喷气式发动机用燃料将对减缓气候变化产生重大影响。
2017年9月，欧洲科学家宣称，他们在一种叫作“小球藻”的绿藻中发现了一种酶，这种酶可以让小球藻只用光能就可将自己的部分脂肪酸转化为碳氢化合物。2018年11月，日本科学家报告，他们发现了一种基因“开关”——可以控制藻类积累淀粉的能力。通过灭活某种酶，科学家将这种淀粉积累速率提高了十倍。这两项研究成果都有可能导致藻类生物燃料的重大进展。
减少甲烷排放
科学家发现，在牛和羊等反刍动物的饲料中加入少量海藻，可以降低这些动物排放的甲烷水平。据统计，地球上25亿农场反刍动物每年排放出大量甲烷，相当于71亿吨二氧化碳，几乎是人类二氧化碳排放量的18%——相当于目前我们交通运输燃烧燃料排放到大气中的二氧化碳量。
动物排放的甲烷产生始于动物的第一个胃腔（反刍动物的第一个胃），在那里细菌将牧草中的坚硬碳水化合物发酵后产生大量甲烷。多年来，科学家们一直在寻找能够阻止细菌产生这种气体的饲料添加剂，但一直收效甚微，因为牛体内的微生物似乎会逐渐适应每一种新的添加剂。大约十年前，澳大利亚科学家开始试验在牛饲料中添加海藻，看其对甲烷的排放的影响。结果显示，所有已经测试过的海藻都有积极效果，但高剂量海藻的添加也会扰乱牛的消化系统。随后，科学家们试验了一种大型藻类——紫杉状海门冬。研究发现，只要在饲料中添加2%的这种海藻，排放到大气中的甲烷量就会大大减少，甚至少到几乎无法检测到。
这种神奇效果是由三澳甲烷实现的。三溴甲烷是海藻中的一种化合物，它能保护海藻免受细菌感染。三溴甲烷可阻止甲烷细菌完成产生气体消化过程的最后一步。在澳大利亚进行的实验中，饲喂少量紫杉状海门冬海藻的绵羊产生的甲烷可减少85%。美国科学家的实验报告显示：奶牛饲料中添加1%的海藻，产生的甲烷可减少50%，并且减少的速度很快。味觉测试显示：喂食海藻和不喂食海藻的奶牛，其牛奶样本的口味没有什么不同。
紫杉状海门冬海藻作用的发现是环境保护的一大成果，对动物养殖者来说。也是一场胜利。因为奶牛产生甲烷需要消耗能量，海门冬属海藻喂养的奶牛可“省”下更多能量来直接制造对其生长有利的蛋白质或对人类健康有益的牛奶。
目前还没有人工培育的紫杉状海门冬海藻，但研究人员预计，一个新的海藻产业将为印度尼西亚、菲律宾和其他热带国家带来良好的经济利益。如果这些海藻生长在肥料径流经过的地方，就能帮助吸收富余营养，避免水体中其他藻类大量繁殖而形成死亡地带，帮助修复这些水域。虽然海门冬属海藻的研究还处于早期阶段，但其前景十分广阔。
“植物汉堡”
长期以来，藻类一直是人类饮食的—部分。我们将来会吃到更多的藻类，而不仅仅是海带和紫菜等。一些公司将开始投资新的藻类生产项目，让藻类成为动物蛋白的替代品。人类通过饲养动物来作为食物是一种非常低效的方式——大型牲畜吃掉的植物蛋白常常是它们最终在肉类产品中产生蛋白的许多倍。有美国科学家称，如果美国目前饲养牲畜的谷物全部由人类直接食用，可以养活近8亿人。
目前“人造肉”市场正在扩大。雀巢公司预计：到2020年，美国将销售价值50亿美元的植物性肉类。泰森食品公司预测：到2045年，美国销售的肉类产品中有20%将是植物性肉类。虽然目前植物是这些产品中大部分蛋白质的来源，但藻类生产蛋白质的效率更高，对环境的影响也小得多。
微藻制药
每年，制药公司都会生产价值数百亿美元的“基因重组药物”（由转基因细胞在实验室中生产的以蛋白质为基础的药物）。这些细胞曾经主要是大肠杆菌，但现在越来越多用的是哺乳动物的细胞，其中添加了对细胞天然蛋白质制造机制进行指导的基因来表达外来蛋白质。这些基因重组药物用于治疗癌症、激素缺乏、自身免疫性和病毒性疾病等。目前约有400种重组蛋白药物用于医学治疗，近1500种药物正在研发中。
但无论是细菌细胞还是哺乳动物细胞，都不是理想的蛋白质制造工厂。虽然细菌很容易被改造，并能有效地产生许多简单的蛋白质，但它们缺乏真核生物复杂的装配过程。问题是，蛋白质是由氨基酸组成的，这些氨基酸被结合、盘绕、折叠成复杂的三维结构，而细菌不能完成所有这些步骤来形成人类需要的蛋白质。另一方面，虽然哺乳动物细胞能够将基因指令转化为最复杂的蛋白质，但它们繁殖速度很慢，对生存条件也很挑剔，这使得大规模生产变得困难而昂贵。此外，使用哺乳动物细胞还有将致癌基因序列和传染性病毒颗粒引入药物的风险。
一些公司正在寻找将微藻作为一个额外生产平台的途径。作为真核生物，海藻具有哺乳动物细胞所拥有的先进的蛋白质生成机制，但它们对生存條件不那么挑剔，繁殖速度更快，而且不会感染人类病原体。科学家的目标不是细胞核中的DNA，而是叶绿体。海藻叶绿体拥有它们的蓝藻祖先遗留给它们的简单染色体。总而言之，科学家们从微藻中得到了世界上所有最好的东西：不那么复杂的原核基因，可以通过复杂的真核机器进行改变，可通过遗传指令转化复杂蛋白质。
一些公司正在致力于生产更便宜、更安全、基于藻类的重组药物。美国一家公司已培育出一种绿藻，这种绿藻产生的初乳状蛋白质具有人类母乳的独特特性，可用于婴儿配方奶粉。美国另外一家公司正在研发一种口服疟疾疫苗，这种疫苗可以耐受更高的温度。在那些并不总是具备制冷条件的地方，这一特性非常有用。
藻类在给我们带来困扰的同时，我们也不要忘记神奇的海藻对地球生命的贡献。它们不断地将有害气体和水转化为宝贵的生命物质，创造并不断更新我们富含氧气的大气层。从食物链底层的微小食草生物（如磷虾）到食物链顶端的巨鲸，海洋中的每一条鱼的生存都要依存于藻类，陆地上的每一种植物也都是藻类进化而来的。
至此可以说，藻类，它们创造了我们，养活了我们，也折磨着我们。如果是它们让我们变得聪明，那么它们也可以帮助拯救我们和地球。
（责任编辑 张虹）
作者：林声
来源：《大自然探索》
