你能想象⽤空⽓发电吗？这听起来像是科幻⼩说⾥的情节，⼀百年前甚⾄是刊登在报纸上的愚⼈节玩笑，但现在，科学家们真的要把它变成现实了。如果空⽓能⽤来发电，⼈类就可以摆脱对煤炭、⽯油等能源的依赖，不⽤担⼼污染和能源危机，更不会操⼼电费了。这听起来是不是很美好？1923年4⽉3⽇，苏联成⽴还不到半年的时间，美国《纽约时报》头版就刊登了⼀条新闻——《苏联宣称掌握空⽓能源，并视之为最伟⼤的发现》。
该报道称，苏联科学家菲古·波萨科夫（Figu Posakoff）发现了⼀种从⼤⽓中提取潜在能量的⽅法，这种能量通常只有在出现雷暴等极端天⽓时才会被释放出来。但波萨科夫却能⽤它来做惊⼈的事情，⽐如把“任何重量的物体扔⼏乎⽆限远”。此消息⼀出，⽴刻引起了轰动。
那时，⼀战刚结束，美国的经济蒸蒸⽇上，德国正⾯临战后的种种社会动荡和赔偿问题；⽽彼时距离⽯油⼯业诞⽣不过半个世纪，世界上第⼀个交流发电站投⼊使⽤也不过30年。在那个蒸汽机与电⼒带来巨⼤变⾰的时代，谁不想拥有更强⼤、更清洁、更便宜的能源呢？可惜，这篇⽂章中声称的发明只是⼀个被当真了的玩笑。原来，这篇报道引⽤的是《德国汇报》（Deutsche Allgemeine Zeitung）上的⼀篇⽂章。
显然，《纽约时报》的编辑们没能注意到这篇⽂章的发布时间——1923年4⽉1⽇，愚⼈节。不过，在⼀百年后的今天，这个愚⼈节玩笑可能真的要成为现实了。很久以前，科学家们就开始寻找利⽤空⽓中⽓体能源的⽅法。空⽓主要由氮⽓、氧⽓和少量的氩⽓组成，其余⽓体只占空⽓总体积的0.04%。这些⽓体被称作痕量⽓体，包括⼆氧化碳、氢⽓、⼀氧化碳、甲烷和臭氧等。
如果能够利⽤这些⽓体中的能量，不仅可以解决能源短缺问题，还能保护环境，减少污染和温室效应。那么，如何利⽤这些⽓体中的能量呢？⽤化学催化剂直接氧化空⽓中的痕量⽓体是很难的，不仅是因为这些痕量⽓体浓度太低，⽆法作为反应底物，⽽且空⽓中还有⼤量的氧⽓会⼲扰许多催化反应发⽣。于是，科学家们想到了利⽤⼟壤中的微⽣物。
痕量⽓体与⼟壤中微⽣物的⽣命活动密切相关，它们既能产⽣⼜会消耗痕量⽓体，并在氧化这些⽓体的过程中获得⽣命活动所需的能量。例如，⼟壤微⽣物每年会从空⽓中消耗吸收约1亿吨氢⽓，约占每年空⽓中氢⽓消耗量的75%。然⽽，寻找能利⽤空⽓能量的微⽣物是⼀条漫⻓⽽曲折的道路。
早在20世纪70年代，德国科学家拉尔夫·康拉德（Ralf Conrad）等⼈就发现，某些⼟壤表层的氢细菌能够氧化由下层⼟壤中的厌氧细菌产⽣的氢⽓。可是，这些细菌只能利⽤⾼浓度的氢⽓（10%-80%），⽽空⽓中的氢⽓浓度（0.000055%，即0.55ppm）远远达不到这⼀⽔平。于是，这些科学家沮丧地得出结论：⼟壤分解⼤⽓中的氢⽓利⽤的是其他机制。
康拉德后来甚⾄认为，是⼟壤中⼀种“⾮⽣物”的酶催化了⼤⽓中的氢⽓氧化。同样的困难也出现在寻找利⽤空⽓中⼀氧化碳和甲烷等⽓体的微⽣物研究上。转机发⽣在2001年。这年5⽉，两名科学家发现了⼀种新型真菌，它能吸收利⽤低浓度的⼀氧化碳，但在⾼浓度的⼀氧化碳（>1%）条件下，这种能⼒会被抑制。
这⼀发现让科学家们意识到了⼀个重要的事实：过去⼏⼗年，他们⼀直在寻找能够在⾼浓度的特定⽓体条件下⽣存的微⽣物，却忽略了那些能够适应低浓度环境的微⽣物。原来，不是能够利⽤空⽓中微量⽓体的微⽣物不存在，⽽是他们的实验设计有问题呀！转变研究⽅法后，越来越多能利⽤痕量⽓体的微⽣物如⾬后春笋般出现在科学家的视野中。
2008年，两名科学家发现甲基孢囊菌（Methylocystis）中的两种酶能氧化空⽓中的甲烷。同年，另外⼏名科学家⼜分离出⼀种能利⽤⼤⽓中氢⽓的链霉菌。这下，康拉德所谓的⼟壤中⾮⽣物酶氧化⼤⽓中氢⽓的说法，也正式受到了挑战。作为该领域曾经的开拓者，康拉德也开始研究链霉菌。他的团队发现，是链霉菌的孢⼦在摄取氢⽓。
据康拉德团队的估算，每克⼟壤中只需有106-107个这种细菌，就⾜以解释⼟壤消耗氢⽓的能⼒。相较⽽⾔，⼀个70公⽄的⼈体内⼤约有3.8×1013个细菌，平均每克体重含5.4×108个细菌。就这样，康拉德亲⼿推翻了⾃⼰花⼏⼗年建⽴的假说。随着研究越来越深⼊，科学家们发现，⼟壤中约72%的微⽣物种类可能都会从⽆机物中获得能量，甚⾄连⽣活在⼈类和动植物体内的许多病原微⽣物都会利⽤痕量⽓体。
过去关于这种能⼒只属于微⽣物中少数群体的认知，彻底被打破了。不过，⼤部分细菌会同时利⽤环境中的有机和⽆机能源，并消耗好⼏种痕量⽓体。甚⾄在沙漠和南极这样的极端环境中，利⽤痕量⽓体的微⽣物也扮演着重要⻆⾊。南极洲不仅有极端低温、强烈的紫外线和频繁的冻融，极昼和极夜的存在也使得环境中缺少利⽤阳光的⾃养⽣物，因此⼟壤中的碳源和氮源⾮常有限。
但这⼀地区有着丰富的微⽣物能利⽤⼤⽓中的氢⽓和⼀氧化碳，并固定空⽓中的⼆氧化碳。它们作为这种极端环境中重要的初级能量⽣产者，直接影响了⽣态系统的演化和多样性。所以，到底是什么酶如此强⼤，能利⽤空⽓中如此稀少的痕量⽓体，⼜如何将它们产⽣的能量为⼈所⽤呢？康拉德并未停下研究的步伐。
2014年，在⼀篇发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的研究中，他发现在⼀种名为耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的放线菌中，两种氢化酶——Hhy和Huc——负责⾼效地催化氧化空⽓中的氢⽓。其他科学家也发现，⼀氧化碳、甲烷、异戊⼆烯等其他痕量⽓体，也有相应负责催化的酶存在。以氢⽓为例，氢⽓⾸先会通过扩散作⽤进⼊细胞中。
随后，细胞内的氢化酶会将氢⽓拆分成两对质⼦和电⼦，电⼦经过⼀系列受体，最终转移到氧⽓，同时质⼦则转移到细胞膜外形成质⼦浓度梯度。这个梯度将通过细胞膜上的ATP合酶转运⾄细胞内，将质⼦浓度梯度中的能量转移⾄合成的ATP中，从⽽⽤于细胞内的各种⽣命活动。基于上述的原理，科学家们也将氢化酶应⽤到了⽣物电池的研究中。
传统的电化学电池在阳极发⽣氧化反应，产⽣电⼦，然后通过导线运输形成电流，最后在阴极发⽣还原反应。如果电池的阳极是氢⽓等⽓体⽽⾮⾦属等固体材料，就成了燃料电池。因此，只要将这些微⽣物的氢化酶作为电池阳极的⼀部分，就能⾼效地利⽤空⽓中的氢⽓，源源不断地产⽣电流了。尽管⽬前对这种⽣物电池的研究还处于早期阶段，但曙光已经初现。
据估计，平均每个细菌利⽤氢⽓产⽣能量的功率是2.2×10?15W，利⽤⼀氧化碳产能的平均功率是2.0×10?15W，⽽利⽤甲烷产能的平均功率是1.1×10?13W。耻垢分枝杆菌中的Huc氢化酶不仅可以⾼效地氧化氢⽓，还具有耐⾼温、耐低温的特性，稳定性极佳。因此，Huc有望在未来的某⼀天应⽤于⽣物电池，为⼩型电⼦设备供电。⼀百年前的那个愚⼈节玩笑引起了轰动，但现在，我们真的在尝试利⽤来⾃空⽓的能源。
虽然距离真正的空⽓发电还需要更多时间和努⼒，但⾃然界给予⼈类的灵感已经使我们离这⼀⽬标越来越近了。同时，农业和荒漠化对⼟壤特性的改变、环境污染对⼤⽓成分的破坏正威胁着许多⼟壤微⽣物的⽣存。清洁、环保、⾼效的能源不仅能降低⼈类⽣存的成本，也能保护⾃然界中的这些科学缪斯。