零距離科學:藻類能成為拯救世界的「超級植物」?

零距離科學:藻類能成為拯救世界的「超級植物」?
塑膠是石油產品,十分耐用,但不能被生物降解,科學家正在研發以藻類製成被生物降解的替代物料。

我們想讓你知道的是

自從發現化石燃料這個「潘朵拉盒子」,人類更是毫無節制地使用能源,帶來更多科技進步,終於啟動了一連串難以逆轉的後果。全球的科學家都在尋找解決方法,藻類,能成為一口氣解決這些問題的「超級植物」嗎?

文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

在人類社會各個「恆常」問題中,「能源問題」、「廢物處理問題」和「全球極端天氣」等永遠不會缺席。

這些都是人類社會「現代化」的產物,各種新發明為人類帶來方便,由基本的照明、代步、推動機械,到各種非生活必需的享受,無不需要額外燃料。自從發現化石燃料這個「潘朵拉盒子」,人類更是毫無節制地使用能源,帶來更多科技進步,終於啟動了一連串難以逆轉的後果。

全球的科學家都在尋找解決方法,藻類(algae),能成為一口氣解決這些問題的「超級植物」嗎?

來來去去終究是食物

現代人類發展非常依賴化石燃料,在「燃燒」(burning)中,含碳的長分子被拆散,放出儲存在化學鍵的能量,剩下的碳和氧則結合產生二氧化碳分子。這過程在生物界中很常見,基本上所有以碳為基礎的生物(除了一些住在深海熱泉或火山口的生物),都有這個生化過程,稱為「呼吸作用」(respiration)。

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現已發現及能養殖的藻類有數百種,它們以光合作用製造的含碳的長分子化合物,是新物料和燃料的寶庫。

生物以不同方式獲得含碳的長分子的化合物(即食物),在體內把大分子一步步地拆散,以酵素催化,雖然比較慢,但需要的溫度比燃燒低很多(例如我們的體溫),也較易控制,適應身體需要。至於食物來源,肉食性動物吃其他肉食性動物和植食性動物,植食性動物則吃植物,最後一步就回到植物上。

植物把空氣裡的碳(即二氧化碳分子)連結起來,先是製成葡萄糖,再經各種新陳代謝轉化成碳水化合物(如澱粉)、脂肪(如植物油)、蛋白質(如豆類蛋白質)等含碳的長分子。這些化學連結就是靠葉綠素(或是胡蘿蔔素等)「提取」陽光的能量,在酵素的催化下形式化學鍵,所以稱為「光合作用」。

藻類和植物一樣,也擁有葉綠素,可以自行製造含碳的長分子化合物,所以可以成為其他生物,包括人類,的食物。現已發現及能養殖的藻類有數百種,也出現了不少以科學化方式種植藻類的水中農場,監測水溫、水流、細菌含量等,亦有藻類像保健產品般的形式出現,讓人自由加入食物中。養殖藻類比大規模開墾農田種植單一農作物,對自然環境的負擔較少,從陽光提取的能量能更直接來到人類身上,可說是一種可持續發展的食物選項。

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藻類可以像保健產品般,讓人自由加入食物中,甚至有潛質成為主要糧食。

化石燃料是「潘朵拉盒子」?

需要氧氣生存的生物,把含碳的長分子拆散來釋放從陽光「提取」的能量來自用,把沒用的碳和氧給合成二氧化碳呼出,回到大氣中,就形成「碳循環」。

地球的整個生態圈有著自己的節奏,整個碳循環釋放多少二氧化碳,就能吸收回多少二氧化碳,雖然一年四季間隨著植物生長周期有起有伏,但平均值不會相差太多。這是因為「呼吸作用」和「光合作用」都是靠酵素催化的新陳代謝作用,是各種參與碳循環的生物是經億萬年共同演化才產生的平衡。

於是,當有人開始使用化石燃料,碳循環中就「突然」出現了大量二氧化碳氣體,本來足夠吸收二氧化碳氣體的植物根本「吃不完」,只能把是「溫室氣體」的二氧化碳留在大氣中。適當的「溫室效應」能令地球不會全面冰封,但過多的就會導致「全球暖化」和「全球極端天氣」,快到達沒法回頭的臨界點。

這不是簡單地叫人「多種樹」就能解決的問題,而是要讓人類的生活模式適應減少使用化石燃料,同時不會令生活質素顯著下降,才能減少產生二氧化碳的人類活動,即減低「碳排放」。所以,比較容易令人接受的選項,就變成了研發更少「碳排放」的「替代燃料」。

藻類以光合作用產生的含碳的長分子化合物,例如液體的油,也可以成為交通工具的燃料。由於這些可燃燒的化合物是經生物自然的新陳代謝產生,燃燒它們不會像化石燃料般「突然」釋放自然界「吃不完」的二氧化碳氣體,人為的「碳排放」可以大大降低,若可大規模替代化石燃料,將可減緩「全球暖化」。不過,以生物的自然新陳代謝產生燃料,要對生產成本和產量的問題,但仍是非有潛力的發展方向。

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藻類和植物都可以進行光合作用,吸收大氣中的二氧化碳,圖中的是一個以藻類替代城市中的樹木的設施。

從藻類提煉可降解物料

另一個困擾人類社會的問題,是「廢物處理」問題,更準確的說法是「不能生物降解廢物堆積」的問題。大自然中的物質都有其自然形成和衰敗的過程,金屬沙石會沉積和風化,每種生物物質則由特定的酵素催化建構和分解,不會永遠維持同一種形態。人造物則不同,它們由自然界不存在的化學反應而生,當然不能被自然環境簡單分解。

塑膠是提煉石油的副產品,在原油分離成各個部分後的加工物,當初是因為「耐用」而大受歡迎和大量生產,但太過「耐用」就成了城市中廢物處理的負擔。其實,這不是「耐用」的錯,而是人類沒計劃的生產與揮霍的結果。塑膠不能被降解,即不能被像一般生物物質般,被微生物等生物分解成大分子,成為其他生物的食物。或許你會認為塑膠在野外曝曬過會變得很脆,但它們其實沒有消失,有不少成了無所不在的微塑膠。

科學家已經發展了一項技術,把藻類製成乾顆粒,直接壓成需要的形狀,因為是自然產物,這種物料能夠溶於水,即可以很容易被生物降解。不過,容易被生物降解也是一個缺點,回到了不夠耐用的問題,所以現在只能混合塑膠使用,但已是一個很大的進步。

藻類有著很大的潛力,作為未來的食物、替代燃料、可生物降解物料等,有助減緩「能源問題」、「廢物處理問題」和「全球極端天氣」等。雖然現在的技術還不少不足之處,但藻類仍然很有潛力成為拯救世界的超級植物。

今集《零距離科學》,除會帶大家走訪世界各地研究藻類的實驗室、農場和工廠,還會介紹科學家如何以藻類的光合作用幫助視障人士重見光明。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31播映。本集於12月25日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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