人类靠什么在火星上生存?
2019-10-25 16:26

人类靠什么在火星上生存?

文章来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),翻译:于波,校对:Lily,来源 :Popsic

,头图来自:东方IC


当地时间周一,美国宇航局(NASA)局长吉姆·布里登斯廷参加国际宇航大会时被问及:人类何时能登上火星?对此,布里登斯廷表示:“如果我们的预算充足,我认为有望在2035年实现这个目标。我们的目标是在五年内登陆月球,并在2028年实现可持续发展目标。”他随后解释说,”可持续发展意味着人们在另一个世界长时间生活和工作”。


登上火星之后,我们就可以在火星生存了吗?


科学家在地球最恶劣的环境中寻找嗜极生物,以研究生命如何在火星上生存。岩石下的这些不明微生物发现于智利阿塔卡马沙漠的海岸山脉。在这个干旱贫瘠的高原上也有盐结壳,后者构成了地球上最像火星的环境。


当人类最终踏上满是尘土的火星时,在未来的太空探索中,某些“宇航员”小到无法用肉眼看见。但这并不意味着它们扮演的角色不重要。


进行载人火星任务,需要住所、可呼吸的空气、衣服、食物、药品、能源、垃圾处理和其他服务。其中很多需求都可以通过生物体来满足。


“几千年来,我们一直把生物学作为一项技术,用来做衣服、建房子。”美国宇航局(NASA)阿姆斯研究中心的天体生物学家、合成生物学家林恩·罗斯柴尔德(Lynn Rothschild)说,“在火星上,我们也将这么干,只不过方式不同。这想想就让人觉得有点疯狂。”


宇航员将不仅仅依靠来自地球的物资供给,他们还可以利用微生物,就地制造一些物资。某些细菌可以利用火星上的有限资源,为火星基地内简单的生态系统提供支持,甚至帮助小型植物生长。它们可以制造氧气、分解垃圾,还可以制造有用的材料,协助开采金属。


“我们要把我们能够在火星上找到的东西都利用起来。这样的话,我们就需要生物学。”罗马第二大学博士生、罗斯柴尔德的学生西普里安·韦尔索(Cyprien Verseux)说。


火星生命?


罗斯柴尔德及其同事最近报告称,他们发现了一种生长在沙漠中的细菌,它对C类紫外线辐射的抵抗力超过了著名的耐辐射球菌(上图,也称柯南细菌)。弄清楚这种细菌为何具有如此能力,有助于科学家改造其他细菌的基因,从而增强它们对火星辐射水平的抵抗力。


火星勉强适合生命生存。这意味着把微生物带到火星,会让寻找火星“原住民”的科学家感到担忧。“如果那里原本有生命形式存在,但我们污染或者彻底杀死了它们,这将是一个巨大的悲剧。”罗斯柴尔德说。


如果宇航员后来“发现”了火星生命,地球微生物可能会令人产生混淆。“你也许无法分辨它到底是不是火星上的生命。”韦尔索说,“因此,我们必须确保我们用来维持生命的微生物不会污染火星。”


确保人类负责任地探索太空,这是NASA行星保护办公室和国际空间研究委员会的使命。


对火星探索任务的规定,比对月球和小行星飞船的规定都更加严格。那些天体不太可能有生命,但“火星可能拥有适合生命生存的环境,因此前往火星时,必须非常谨慎,直至我们知道那里没有生命。”地外文明探索研究中心从事行星保护工作的资深科学家玛格丽特·赖斯(Margaret Race)说。


目前尚未对载人火星任务做出具体的管理规定。“还没有任何明确的规定。”赖斯说,“如果有人现在就想把微生物弄上火星,这是不允许的。”


无论如何,当宇航员登陆火星时,他们都将随身携带微生物。“人体身上就有微生物菌群。如果把人类送上火星,我们无法先灭掉宇航员身上的微生物。”赖斯说。


想要限制污染,方法之一是对火星上最有可能存在生命的区域采取特殊保护。另一个方法是修改人体微生物的DNA,以避免被火星生命“读取”和吸收。


关于把人类和其他生命送上火星的问题,国际社会还在考虑最佳方案。“没有人站出来阻止这件事。”赖斯说,“但我们认为,在我们进入未知区域时,如何确保我们能负责任地行事?”


地球生命能在火星上存活吗?


只需进行简单的基因改造,就能让微生物做好登陆火星的准备。一支由斯坦福大学和布朗大学联合组建的团队改造了鱼腥藻的基因,改造后的鱼腥藻可以把为自己制造的糖分喷出体外,其他微生物则可以靠这些糖分为食。(这里的微生物是指在土壤和人体肠道中发现的枯草杆菌。) “PowerCell”项目将于2017年3月投入测试,届时它将搭乘德国航空中心的一颗卫星升空,研究人员将观察它如何适应低重力环境。


严格来说,我们已经把生命送上火星了。柏林工业大学天体生物学家德克·舒尔策-马库奇(Dirk Schulze-Makuch)说,在探测器离开地球轨道之前采取的杀菌消毒措施不管多么严格,都无法做到百分之百有效。“问题只在于它们是否有可能在那里存活下来。”


但罗斯柴尔德指出,那些微生物不大可能在火星上生根发芽,污染这颗红色星球。爱丁堡大学天体生物学家查尔斯·科克尔(Charles Cockell)曾在2002年指出,火星的生存环境极其恶劣。


低重力(大概只有地球重力的38%)可能不会对那些微小的有机体造成影响。还有充足的阳光供微生物进行光合作用。但火星很冷,平均地表温度大约为零下60度。空气也非常稀薄,气压只有地球海平面的1%左右。我们的星球有磁场,可以保护我们免受辐射伤害,但火星没有。另外,火星比地球上任何地方都更加干旱。


“大部分的火星地表都不可能存在液态水。”科克尔说,“那是个干旱、被辐射灼烤的环境。”


很多微生物可以进入休眠状态,而且地球微生物也许会被吹到遮蔽区域或者被埋起来。如果它们藏在岩石下,就能躲避最严酷的低温和辐射。但它们必须从空气中吸收水分,或者从季节性卤水渗漏中找到水。


在火星上的洞穴里(很早以前因流动的岩浆而形成),也可能存在水和更浓密的空气。另一个可能的庇护所是存在液态水滴的火星极地冰层。


“一般认为这些都不大可能发生,地球微生物已经死了。”马库奇说,“不过,我们也不能确定。没错,火星地表环境十分恶劣,但也不应该低估地球微生物的生命力。


对此,罗斯柴尔德持相同看法。“地球微生物不太可能占领这颗星球。”她说,“但我敢肯定,它们能在那里生存下来,至少短期内可以。”


火星动物园


罗斯柴尔德与斯坦福-布朗大学iGEM团队的本科生合作,利用巴氏芽孢杆菌,制造了一种类似水泥的材料。与尿液、沙和氯化钙混合后,巴氏芽孢杆菌会促使碳酸钙晶体的形成,将沙粒粘合在一起。通过这项技术,可以利用火星浮土来制造砖块。


几十亿年前,一种名为蓝藻的微生物为地球生命的繁衍铺平了道路。植物出现之前很久,蓝藻就在释放氧气,这是其光合作用的副产品。


在罗斯柴尔德眼中,富含氧气的地球大气层堪称完美的例子,表明生命作为一项技术,其力量是何等之大。而它在外太空为我们服务的潜力,也是同样巨大。


在火星上,宇航员也可以利用蓝藻制造有用的材料,并为其他重要的微生物和植物提供支持。我们已经依靠微生物来提供酒、奶酪和酸奶等美食以及其他重要服务。


“它们帮助我们制造食物和药品,帮助我们回收垃圾。”科克尔说,“它们在火星上也能发挥这些作用,就像它们在地球上一样。”


在火星上利用微生物制造物品,可以减少我们从地球运送的物资重量。摆脱地球重力是极其昂贵的。罗斯柴尔德说,单是发送一听可乐,就要花掉1万美元。这还只是在轨道上,“你甚至没有抵达火星”。


而微生物的重量微乎其微,更容易运往火星。“在那里,它们会繁殖,就地取材,利用太阳能,就像地球上的植物和藻类。”罗斯柴尔德说。微生物可以利用火星上已有的水、矿物质和大气气体。“你可以用蓝藻产生的材料制造各种东西,不管是塑料品还是住处。”


某些微生物可以用来制造食物、氧气和燃料,或者回收垃圾以便为植物和人类提供养分。微生物还可以用于分解岩石,从中提取有用的金属(在地球上,“生物采矿”已经被用来开采黄金和铜)。如果与正确的成分混合,有些微生物可以把火星的灰尘颗粒粘在一起,制造盖房所需的砖块。


用培养液种植的莴苣。在为期一年的隔离实验中,韦尔索利用提取自蓝藻的营养成分来种植莴苣。这次实验旨在模拟载人火星任务。“我本来可以在常规实验室中做这个,但我想亲眼看看,使用这些系统的人究竟会处于什么样的环境中,我觉得这是个好主意。”韦尔索说。他还说,坐在舒服的办公室里是想象不出来的。


如果宇航员想用火星土壤种点东西,微生物会特别有用。在箱体内,必须保护植物免受辐射伤害,并为植物提供水和培养液或者肥沃的土壤。“微生物可以把火星上已有的元素转换成植物能够利用的形态。”韦尔索说。


宇航员可以种植植物,这样既能获得食物和氧气,也能在一望无际的红色景象令人感到单调沉闷之时,舒缓身心。


“种植植物对宇航员的心理健康很有好处,比如在国际空间站就是如此。”科克尔说,“这让人们有东西可以照料。”


动物会占用很多空间和资源,因此在执行早期任务时,宇航员可能不会带上它们。但蚕虫、鱼和贝类这样的小动物可能最终会被送上火星。


创造更强壮的微生物


美国犹他州天然桥国家保护区里的结皮,由微生物和土壤形成。几年前,科克尔和同事在内蒙古腾格里沙漠的沙土中培养并种植了蓝藻,15天后,形成了人工结皮。类似的方法可以用来减少火星基地里的尘土。


我们携带的植物或微生物不一定非要在恶劣的火星地表生存。宇航员需要躲避寒冷、干燥、充满辐射、气压极低的火星环境,微生物和植物同样需要保护。


对微生物进行基因改造,使它们变得比在地球上更加强壮,这会带来很多好处。首先是更安全。如果容纳微生物的设施出了问题,它们将不得不面对极端环境。


另外,生命力顽强的微生物,安置成本也更低。“在类似于火星的环境中,它们的生命力越强,它们所需要的保护就越少,重建地球式环境的必要性就越低。”韦尔索说。


而且,微生物可以经过基因改造,更好地完成它们肩负的使命,或者扮演全新的角色。“大自然就像一座巨大的基因硬件商店,你从货架上取走一些东西,然后放进你创造的微生物体内。”罗斯柴尔德说。


她正在研究如何改造微生物基因,让它们在火星上可以充当生物打印机的“墨水”。这样一来,宇航员就可以制造定制工具、智能布料甚至替代器官。


“你不必把棉花地、树木或者绵羊送上火星。”她说。你可以提取它们的能力,植入更容易携带的微生物体内,比如酵母或细菌。


这种技术已经在地球上得到应用,比如抗疟疾药物青蒿素。青蒿素提取自一种名为青蒿的植物,但也可以通过基因改造后的酵母进行合成。轮胎制造商和生物科技公司也在研究如何利用酵母制造橡胶,而不是从树上采集橡胶汁。


目前,罗斯柴尔德在关注角蛋白,这是在羽毛、指甲、头发和皮肤里发现的一种蛋白质。经过基因改造的微生物可以用来制造角蛋白,然后打印成事先确定的形状。“这种材料很结实,而且重量轻,延展性好。”她说。


天体生物学家可以利用模拟室来模仿火星地表环境。马库奇就利用模拟室测试了Pleopsidium chlorophanum地衣的生长状况。这种地衣可以忍受高山上的严寒和干燥。他和同事们认为,这种地衣也许能在火星上遮蔽区域的环境中生存下来。


我们利用微生物帮助宇航员生存的所有努力,或许也可以为地球上的每个人带来好处。“完全没理由认为这些东西不能在地球上使用。”罗斯柴尔德说。


也许有一天,微生物可以通过释放氧气和改造土壤,将火星表面变得和地球一样。对火星上的生命来说,这意味着什么,目前尚无定论。(尤其是考虑到火星的低重力可能会给树木和人类这样的较大生物体带来麻烦。)


“我不希望让人们觉得,我们是在向火星发射诺亚方舟。”罗斯柴尔德说。她指出,在没有保护措施的情况下,我们不会讨论把动物送上火星的事情,除非我们已经使火星大气层变得够厚,足以维持液态水和更高的温度。


但这将需要很长时间。在火星上利用微生物来维持生命是最基本、也是最容易达成的目标。


如何做到


为了做到这一点,首先要继续研究那些在地球极端环境中茁壮生长的微生物,比如沙漠、深海“烟囱”和北极冰原。


天体生物学家在最类似火星的地球环境中寻找微生物,以研究火星生命如何在火星上生存。这些探索也能揭示地球微生物在火星上的适应能力。


“你选择已经存在的微生物,看看它们的局限在哪里,它们的用处有多大。”科克尔说,“了解了这些,你就能更清楚地知道,怎样才能使它们变得更加强壮。”


科克尔和同事们把岩栖类微生物送入近地轨道,观察它们在太空舱外的表现。在地球上,特制的房间被用来模拟火星环境,包括温度、气压、干旱及辐射程度。


某种微生物的强大适应力得到确认(或者提升)后,科学家必须弄明白,如何利用工具和箱体使这种微生物发挥作用,同时,工具和箱体的重量和能耗应该越低越好。


欧洲航天局正在开展一个名为“微生态生命支持系统”的项目,试图利用菌群来分解和回收人类排泄物以及植物的不可食用部分。


科学家也在思考,当宇航员在火星基地真正使用这些工具时,可能会发生哪些状况。韦尔索曾经和其他五位科学家一起,在夏威夷莫纳罗亚火山上的一处研究点,度过了一年与世隔绝的生活,最近,韦尔索离开了那里。


科克尔等天体生物学家用来模拟火星环境的模拟室,微生物就在这里面进行实验。


HI-SEAS实验为他提供了绝佳的机会,使他可以研究如何利用蓝藻帮助植物生长。“我最大的收获是知道了如何利用极为有限的资源,比如动力、水、空间、时间、能源等等。”他说。


NASA计划在本世纪30年代开展载人火星任务,而天体生物学家正在为“火星之旅”寻找和安排宇航员的微生物同伴。


科克尔说,我们一直在研究这些微生物,研究如何更好地利用它们。“我觉得,当人类最终前往火星时,微生物将为人类的探索做好准备。


文章来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),翻译:于波,校对:Lily,来源 :Popsic

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