発電から深宇宙探査まで：微細藻類は持続可能な未来を提供する

生命は海で誕生しました。海において、最も基本的で原始的な単細胞海藻は、海洋食物連鎖の最下層の栄養素であり、海洋生物の成長と生命の進化を支えています。

海藻は35億年前に出現し、生物界における生きた化石と考えられています。それは今でも海洋生物の生命システムの多様性を支えています。海藻には多くの有効成分が含まれており、栄養も豊富です。生育条件は簡単に整えられ、元気に育つには水と光だけが必要です。

科学技術の発展に伴い、海藻の重要な価値がますます明らかになりつつあります。例えば、機能性食品、食品添加物、農業育種、環境保護などの分野で活躍しています。最近、藍藻の電気がどのようにしてコンピューターのマイクロプロセッサーを1年間サポートできるかという科学的研究が、科学研究界で白熱した議論を巻き起こしている。シアノバクテリアの潜在的な発電能力は、現在デジタル世界で使用されているさまざまな低エネルギー IoT デバイスに持続可能性の希望をもたらします。

生きた化石に秘められた「力」

この研究はケンブリッジ大学、ミラノ大学、ARMのチームによって実施された。 「光合成によるマイクロプロセッサの駆動」と題されたこの論文は、科学誌「Energy & Environmental Science」に掲載された。

実験全体は2021年の流行によるロックダウン中に行われ、研究者らは窓辺に簡単な装置を設置することから研究を開始した。論文によれば、実験に使用された小型発電容器は5号電池ほどの大きさで、装置の材料もアルミニウム、プラスチック、シアノバクテリア、水という4つの基本的な材料のみと極めてシンプルだという。

研究チームは当初、シアノバクテリア発電の原理は、シアノバクテリアが光合成中に装置の正極と負極で自ら電子を生成して電流を発生させるか、シアノバクテリアが従来の電気化学反応に似た条件を作り出し、容器内のアルミニウム陽極を腐食させて電子を生成するかのいずれかであると推測していた。しかし、実験結果では、アルミニウム陽極には劣化や腐食の兆候は見られなかったことが示されました。そのため研究チームは、シアノバクテリアが光合成中に電流の大部分を自ら生成していると結論付けた。

2021年2月から8月にかけての実験中、このシアノバクテリア駆動型マイクロコンピューターは、いくつかの基本的な計算を実行し、連続する整数の合計を計算して45分サイクルの計算ワークロードをシミュレートしました。この計算では0.3マイクロワットの電力が消費され、15分間のスタンバイ時には0.24マイクロワットの電力が消費されました。コンピューターは測定された出力電流値をクラウドに保存し、研究チームによる分析に使用します。

研究チームは当初、このシステムは数週間で停止すると見積もっていたが、シアノバクテリアが実験を完了するために6か月間昼夜を問わず継続的に発電できるとは予想していなかった。さらに、実験後もシアノバクテリアは発電を続け、現在まで稼働を続けています。夜間に光がない場合、シアノバクテリアは日中の光合成中に蓄えたエネルギーを放出することで、コンピューティング システムの継続的な動作をサポートできます。

シアノバクテリアは発電能力を持っているものの、放出される電気の量は比較的弱く、現在はシアノバクテリア発電のシステム検証に留まっていることがわかります。論文の責任著者であるCJ・ハウ氏はまた、「現段階では、屋根にシアノバクテリア発電機を設置しても、家に十分な電力を供給することはできない。まだやるべき研究がたくさんある」と述べた。

シアノバクテリアの発電システム全体はシンプルで構築も簡単です。従来の電池や太陽エネルギーと比較すると、藻類は環境への影響が少なく、継続的に電力を供給することができます。このシアノバクテリア発電検証システムの成功により、持続可能でグリーン、低コストのエネルギー源であるシアノバクテリア発電は、将来的にはIoTにおけるさまざまなセンサーデバイスへのエネルギー供給方法となる可能性も高まります。一部の中所得層および低所得層の遠隔地では、一部の人々に低電力の携帯電話やセンサーデバイスへの電源供給サービスを提供できます。

微細藻類：バイオ燃料の新たな寵児

シアノバクテリアが生み出す電流は弱いですが、規模と技術の限界を克服できれば、シアノバクテリアが放出するエネルギーの可能性は、あらゆるものがつながるモノのインターネットやデジタルの世界で幅広く応用できる可能性を秘めています。

IoT デバイスに電力を供給するには、持続可能で低コストの分散型電源が必要であることは周知の事実です。単一の IoT デバイスの消費電力はマイクロワットからミリワットと非常に低いですが、すべての IoT デバイスを数えると、その数は数十億に達します。統計によれば、2035年までに1兆ドルに増加すると予想されており、その背後で消費されるエネルギーと物質資源も莫大なものになることを意味します。シアノバクテリアなどの低公害、低コスト、持続可能な生物資源を活用すれば、低炭素で持続可能な未来にも大きく貢献します。

5月10日、国家発展改革委員会は初めて「バイオエコノミー発展のための第14次5カ年計画」（以下、「計画」という）を発表し、バイオエコノミーの発展の必要性を強調し、バイオメディカル、バイオアグリカルチャー、バイオマス代替、バイオセーフティの4つの重点分野の発展を明確に優先させた。

「計画」では、合成生物学をバイオエコノミーの革新的発展を加速する国家戦略的科学力の一つと位置付けており、何度も言及されている。

現在、合成生物学で使用されている主な生物源には、大腸菌、酵母、微細藻類などがあります。微細藻類は、その種と産物の多様性、効率的な光合成および炭素固定能力により、合成生物学の分野で高く評価される基本的な生物学的マトリックスとなっています。

一般的な微細藻類は、食品加工や飼料分​​野でトウモロコシなどの作物の代替として利用することができます。飼料タンパク質を例にとると、関連研究によると、微細藻類のタンパク質収量は1ヘクタール当たり年間4〜15トンであり、小麦や豆のタンパク質収量の1ヘクタール当たり年間0.6〜1.2トンよりもはるかに高い。微細藻類は、気候の影響や人的資源の不足によって引き起こされる食糧危機を緩和することができます。

近年、微細藻類もバイオ燃料の新たな人気を集めています。藻類は光合成によって大気中の二酸化炭素を固定し、それを糖や植物性タンパク質に変換することができます。また、反応を通じて水素を生成し、廃水を浄化することもできます。それらは人類に、より安価で、より環境に優しく、持続可能なエネルギー供給と炭素固定方法を提供することができます。さまざまな種類のクリーンエネルギーの中でも、他のエネルギー源に劣らない大きな可能性を秘めています。

政策と技術の共同調整と探求により、低炭素と持続可能性のトレンドに乗って、微細藻類も合成生物学の発展において膨大なエネルギーを放出し、将来的にはバイオ燃料の主な供給源となるでしょう。

地球外植民地化の可能性が少し高まったのでしょうか?

微細藻類の応用においては、炭素固定から排出、食糧補給まで、環境保護、エネルギー、食糧危機に対応しており、これらは現在最も解決しなければならない開発上のジレンマです。生物にとって、持続可能な生存は生命の再生と進化の目標です。微細藻類の成長プロセスは、これら 3 つの開発課題を同時にカバーし、解決策を提供することができます。

バイオテクノロジーの進化において、現在の微細藻類開発の技術的限界とスケールアップの問題が解決されれば、微細藻類の成長全体を閉ループシステムで設計することができます。光合成により、微細藻類は大気中の二酸化炭素を捕捉し、藻類細胞内でタンパク質、糖、脂質に変換し、同時に電気を供給し、酸素を放出します。

現在、地球上には30万種以上の微細藻類が存在することが知られており、そのうち3万種が記録されていますが、スピルリナやクロレラなどわずか12種のみが商業的に開発されています。微細藻類業界全体には、依然として大きな市場スペースが存在します。 Credence Researchによると、世界の藻類製品市場は2018年に339億米ドルと評価され、2019年から2027年までの年平均成長率は6.0%で、2027年までに565億米ドルに達すると予想されています。微細藻類の将来的な1兆ドル規模のブルーオーシャン市場は注目を集め、学界、産業界、投資界からさらに注目を集めることになります。

微細藻類は極めて強い耐性と適応力を持っています。閉ループシステムに必要な原材料は、水と光だけです。耕作地、肥料、農薬、大量の淡水を必要としないため、森林破壊、生物多様性の喪失、砂漠化による汚染など、多くの一般的な生態学的被害を回避できます。微細藻類の生産に使用された水は、収穫後に再利用することもできます。

微細藻類の二酸化炭素固定効率と光合成メカニズムは、人類に持続可能な開発の新たな機会と窓口を提供します。現在、微細藻類は医療や食品分野など、高付加価値製品を中心に応用されています。たとえば、いくつかの微細藻類の生合成、遺伝子実験、緑藻類と持続可能な藻類食品の開発などです。今後は、前述の発電や高効率炭素固定など、エネルギー関連技術の応用におけるブレークスルーに主眼を置いていきます。

藻類生合成技術の専門家の現在の研究の焦点は、合成生物学の技術的限界を打ち破り、新しい光バイオリアクターシステム、新しい微細藻類規模の栽培パラダイムを開発し、微細藻類のエネルギー応用の可能性を解放し、将来的にスケーラブルな生産をできるだけ早く実現することです。微細藻類は地球上のさまざまな危機を解決することができ、また深宇宙探査においても大きな商業的可能性を秘めています。

もっと創造的に考えれば、微細藻類を使用した閉ループシステムは、火星における人間の活動の一部をサポートすることも可能になるだろう。火星の大気の主なガスは二酸化炭素で、96%を占めています。この微細藻類の閉ループシステムが火星に移植され、十分な水を運ぶことができれば、少数の研究者が火星で活動するのに問題はないだろう。

深宇宙探査に目を向けると、微細藻類システムは太陽系での活動もサポートすることができます。私たちが呼吸するときに吐き出すガスは主に窒素、二酸化炭素、酸素です。現在知られている微細藻類の中には、窒素を固定できる種が 70 種以上あります。これらのシアノバクテリアは窒素を固定しながら酸素を放出し、これは人類の深宇宙探査を支援する方法でもあります。これらの設定された条件は比較的理想的ですが、科学の発展はこれらの理想的な設定に基づいており、それが今日の急速な変化につながっています。これは将来の科学研究の目標であり、原動力でもあります。

数十億の生命を持つ古代の海藻は、数え切れないほどの生命を支え、食料を与え、地球の進化の長い年月の中でさまざまな変化を見てきました。技術が急速に変化する今日の世界では、微細藻類をより深く探求し、開発するためのツールが存在します。この古代の生命は、緑豊かで持続可能な未来と深宇宙への旅において、私たちをこれからも支え続けてくれるでしょう。