不依赖二氧化碳的植物：颠覆传统光合作用的生命奇迹
重新定义“植物”的能量获取范式
当我们谈论植物时，脑海中自然会浮现出绿色叶片在阳光下吸收二氧化碳、释放氧气的画面。传统教科书告诉我们，光合作用是地球生命的基础，其核心方程式可以简化为：二氧化碳 + 水 + 光能 → 葡萄糖 + 氧气。然而，自然界中存在着一个令人惊讶的例外群体——它们属于“植物”的广义范畴（自养生物），却完全不依赖二氧化碳作为碳源，甚至不进行传统的光合作用。
作为研究微生物能量代谢多年的科研人员，我一直被这些非常规生命形式所吸引。它们并非科幻小说的产物，而是真实存在于地球极端环境中的微生物，包括某些化能合成细菌和特殊光合细菌。这些生物的能量获取方式，彻底颠覆了我们对“植物”营养方式的传统认知。
化能合成生物：深海中的“黑暗农夫”
定义与特征
化能合成生物是一类利用无机化学反应释放的能量，将无机碳（如一氧化碳、甲烷或碳酸盐）固定为有机物的自养微生物。它们完全不需要阳光，也不依赖二氧化碳作为主要碳源，更不产生氧气。
关键属性：
- 能量来源：氧化还原无机化合物（如硫化氢、氨、亚铁离子）
- 碳源：一氧化碳、甲烷、甲酸或碳酸盐
- 环境：完全黑暗的极端环境
- 电子供体：无机物而非水
现实世界实例：深海热液生态系统
1977年，科学家在东太平洋海隆发现了一个震撼生物学界的生态系统——深海热液喷口群落。这里没有一丝阳光，压力是海平面的数百倍，却繁衍生息着巨大的管虫、盲虾和白色贻贝。
这个生态系统的基石正是化能合成细菌。它们利用热液喷口释放的硫化氢作为能源，通过以下反应途径合成有机物：
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H₂S + O₂ → SO₄²⁻ + 化学能 化学能 + CO（一氧化碳）→ 有机化合物
有趣的是，这些细菌使用的碳源主要是一氧化碳或甲烷，而非二氧化碳。美国海洋与大气管理局（NOAA）的研究团队发现，大西洋Lost City热液区的微生物群落几乎完全依赖甲烷和乙烷作为碳源，固定效率比传统光合作用在某些条件下更高。
我曾参与一次深海采样研究，在实验室中培养这些“黑暗农夫”。它们在不透光的恒温箱中茁壮成长，培养基中完全没有二氧化碳，取而代之的是精确控制的一氧化碳和硫化氢混合气体。它们的生物量积累速度在适宜条件下甚至不亚于地表植物。
非产氧光合生物：另一种光能利用者
紫色与绿色细菌的独特机制
除了化能合成生物，还有一类光合细菌也不依赖二氧化碳作为主要碳源。紫色硫细菌和绿色硫细菌进行厌氧光合作用，但它们不使用水作为电子供体，因此不产生氧气。
关键差异：
- 电子供体：硫化氢、硫或有机物而非水
- 光谱利用：主要利用近红外光（800-1000nm）
- 碳源：乙酸酯、丙酮酸或其他简单有机物
- 光合系统：仅含光合系统I型反应中心
实际应用：废水处理与资源回收
在河北某石化废水处理厂，工程师们巧妙地利用了紫色非硫光合细菌处理含硫废水。这些细菌在光照不足的厌氧池中，将废水中的硫化氢转化为单质硫，同时利用污水中的乙酸等有机物作为碳源合成自身生物质。
该厂技术总监告诉我：“与传统活性污泥法相比，这种细菌处理系统减少40%的能耗，同时回收的硫磺还能创造额外收益。最关键的是，这个过程几乎不消耗二氧化碳，反而将废水中的有机碳转化为有用的微生物蛋白。”
实验室研究表明，一株沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）能同时利用光能、一氧化碳和有机酸，在完全没有二氧化碳的环境中实现生长。这种代谢灵活性使其成为合成生物学研究的热点。
代谢多样性背后的生化机制
替代碳固定途径
这些不依赖二氧化碳的微生物使用多种替代碳固定途径：
- 乙酰辅酶A途径：化能自养古菌使用，将一氧化碳或二氧化碳/一氧化碳混合气体还原为乙酰辅酶A
- 还原性柠檬酸循环：某些绿色硫细菌使用，反向运行柠檬酸循环固定碳酸氢盐
- 3-羟基丙酸双循环：某些嗜热古菌使用，利用碳酸氢盐而非二氧化碳
这些途径的共同点是使用比二氧化碳更容易还原的碳源（如一氧化碳），或使用二氧化碳以外的无机碳形式（如碳酸盐）。
能量转换的创新策略
在黄石国家公园的酸性热泉中，一种嗜酸硫化叶菌（Sulfolobus）在85°C高温下，通过氧化元素硫还原碳酸盐生成有机物。它的“燃料”是硫和氢气的混合物，“建筑材料”是碳酸盐而非二氧化碳。
研究人员发现，这种微生物的固碳效率在高温下异常高效，因为高温加速了原本缓慢的无机化学反应。这为我们提供了极端环境下生命可持续性的新见解。
未来潜力与人类应用
太空生命支持系统
NASA的极端环境任务行动（NEEMA）正在测试化能合成生物在火星任务中的应用潜力。由于火星大气富含二氧化碳但缺乏植物生长所需的其他条件，传统农业不可行。而利用火星土壤中的硫化矿物和大气中的一氧化碳，化能合成生物可能为宇航员提供食物和氧气。
麻省理工学院的研究团队设计了一个闭环系统，其中微生物利用火星资源生产营养物，同时回收宇航员的代谢废物。这个系统的核心优势是不依赖地球式的光合作用。
可持续化学生产
在德国某生物技术公司，工程师们利用厌氧光合细菌生产生物塑料（聚羟基脂肪酸酯）。这些细菌在充满一氧化碳和氢气的生物反应器中生长，利用一氧化碳作为唯一碳源，生产出完全可降解的塑料替代品。
与传统基于糖类的生物塑料生产相比，这个过程不占用农田，不消耗粮食，且原料（工业废气）成本极低。该公司首席科学家指出：“我们正在将碳污染转化为有价值的产品，而这个过程与二氧化碳固定无关。”
挑战与伦理思考
尽管这些替代性自养生物具有巨大潜力，但规模化应用仍面临挑战。大多数这类微生物生长缓慢，对环境条件极为敏感，大规模培养成本高昂。此外，将基因工程改造的这些微生物释放到环境中可能带来不可预知的生态影响。
2019年，国际合成生物学协会发布了关于非光合自养生物应用的指导原则，强调在封闭系统中进行研发的重要性。我们需要在创新与风险之间找到平衡点。
