曾经让地球焕发生机的它们，未来能在火星成功拓荒吗？

作者：王纬华（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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大约在46亿年前，地球诞生。经过漫长的进化，目前地球上的人类正面临前所未有的危机：资源枯竭、气候变化、环境污染、生态破坏……不仅如此，宇宙射线爆发、小行星撞击等威胁，足以毁灭地球上大多数生命。

如果真的要离开地球，我们能去哪里呢？

目前，以SpaceX创始人Elon Musk为代表的有识之士把目光投向地球的邻居火星。火星作为太阳系内除地球之外最适合居住的行星，自然是移民的首要考虑对象。Elon Musk致力于让人类成为跨行星物种，让人类文明在地球之外得到“备份”。图1中展示的就是 Elon Musk构想的火星城市蓝图。

下面，我们将开启这份星球备份计划，看看火星将被如何开荒建设的吧~

图1. Elon Musk构想的火星城市（来源：SpaceX）

火星上现在有什么？

目前的火星基本上是一个寒冷的红色荒漠。自20世纪60年代以来，人类向火星发射了超过40枚空间探测器，进行了详细的科学探测。火星表面温度-140 ℃到 30℃，平均-60 ℃。火星大气成分为95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，0.13% 氧气和0.03% 水蒸气等，常有沙尘暴发生。火星大气层非常稀薄，仅相当于地球大气层的0.7%，加上没有完整的磁场，火星只能抵挡部分的太阳辐射和宇宙射线。火星表面没有稳定的液态水，只有间歇流动的液态盐水，但风化层中含有丰富的水分；在火星两极存在大量的水冰，在火星冰盖之下还发现一个直径20公里的冰下湖(1)。火星风化层含有丰富的二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝、氧化镁以及氧化钙等矿物质(2)。

即使技术的进步可以使人类在未来几十年内到达火星，考虑到从地球到火星极其昂贵的运送费用，建立人类定居点所需的物资将只有极少部分能从地球运送，而绝大部分要通过就地取材来解决。除了火星自带buff，运送什么去火星性价比最高呢？

火星开荒，蓝细菌“请战”

生物系统能够有效地利用各种自然资源，但是大多数植物和微生物无法直接利用火星现有的资源，从地球运送物资来维持它们的生长代谢将极大地限制成本效益和可持续性。

蓝细菌又名蓝藻，是地球进化过程中较早出现的光能自养微生物，在35亿年前地球从无氧转变为有氧环境的过程中发挥了重要的作用。据估算蓝细菌贡献了地球上氧气年产量的30% (3)。蓝细菌不仅能进行光合作用，还具有固氮(4)和氢代谢(5)等功能，这意味着蓝细菌是少数几种可以进行多途径转换太阳能的生物，并能够全面参与碳、氢、氧、氮四大元素循环，在物质循环和能量代谢中扮演着重要的角色。蓝细菌具有极强的环境适应能力，在包括极地、盐湖、荒漠等极端条件下广泛存在。在火星上蓝细菌能获得生长所需的阳光、水和二氧化碳，火星风化层中含有蓝细菌生长所需的各种营养元素。蓝细菌可以直接用于氧气、食品，燃料、药品和材料的生产(6)（图2）。

综上所述，蓝细菌可以作为“火星拓荒者”充分利用火星资源从而为火星移民进程开辟道路，使火星成为人类未来的第二个家园。

图2. 基于蓝细菌的火星生命维持系统（图片来源：International Journal of Astrobiology, 15, 65-92.）

氧气

氧气对人类生存是必不可少的，断氧后人只能存活２到３分钟。目前在各种航天器中主要是通过电解水来实现供氧。由于火星的大气层非常稀薄，而且氧气只占火星大气的0.13%，火星的氧分压只相当于地球的1/20000。利用火星现有的资源生产氧气可以考虑采用物理化学方法处理风化层冻土和水冰得到液态水再通过电解水制氧气，或者通过物理化学方法解离二氧化碳得到氧气。

蓝细菌可以利用太阳能通过光合作用光解水生成氧气，这为通过物理化学方法制备氧气提供了有效补充和安全备份。相比物理化学方法，蓝细菌光合放氧装置能耗更低，也易于搭建。蓝细菌光合放氧的效率要远高于植物，而且在光合反应器中通过优化培养温度、补料速率、细胞浓度和光照强度可以进一步提高蓝细菌光合放氧的效率。图3中展示的就是德国斯图加特大学与德国航空航天中心和空中客车联合开发的可整合到生命维持系统的光合生物反应器。据报道采用20升的光合生物反应器就可以满足一个成年人一天的需氧量(7)。氧气是光合作用的副产物，很多蓝细菌是可食用的，因此产生氧气所需的资源可同时用于食品的生产。

图3. 可整合到生命维持系统的光合生物反应器。左侧突出部分为光合生物反应器，右侧为生命维持系统（图片来源：2018年国际环境系统会议论文）

食品

食品对人类的生存来说也是必不可少的，蓝细菌可以在利用火星资源生产食品方面大显身手。螺旋藻（Spirulina）、发菜（发状念珠藻，Nostoc flagelliforme）、地木耳（普通念珠藻，Nostoc commune）和葛仙米（拟球状念珠藻，Nostoc sphaeroides ）都是传统的可食用蓝细菌。

螺旋藻营养丰富，含有蛋白质、脂肪酸、维生素、色素以及矿物质，蛋白质含量可达干重的50-70%，在世界各地都有广泛培养及用作膳食补充剂。发菜富含蛋白质和钙、铁等矿物质，耐寒冷、干旱，抗辐射的能力很强，广泛分布于世界各地的沙漠和贫瘠土壤中（图4）。地木耳富含蛋白质和维生素，耐寒冷、干旱，广泛分布于世界各地，可生长在岩石及砂土上，在地球的南极仍能生存（图5）。考虑到人们的饮食习惯和口味，蓝细菌还可以经过简单加工后添加到其他食品中。经过遗传改造的蓝细菌还可以合成和分泌蔗糖、葡萄糖和果糖等碳水化合物。

火星距离地球最近时约有5500万公里，从地球到火星要飞行100-300天。发菜与地木耳经过充分干燥脱水后可在航天器中长期保存，降低有效载荷的质量和体积。干燥过的发菜与地木耳遇水后复苏，又可以重新生长。发菜及地木耳都属于念珠藻，具有固氮能力，可以固定火星大气层中的氮气为风化层提供天然氮肥。蓝细菌还可以利用太阳能和火星上的水份，吸收风化层中的磷、硫、镁、铁等各种营养元素，固定火星大气中的二氧化碳和氮气，生成可供异养微生物和植物利用的各种底物。

图4. 发菜（发状念珠藻，Nostoc flagelliforme）形态及生长环境（图片来源：光语生物科技）

图5. 地木耳（普通念珠藻，Nostoc commune）形态及生长环境 (图片来源：光语生物科技及algaeBASE)

地球上与火星类似的荒漠地区也存在着种类丰富的蓝细菌。具鞘微鞘藻等蓝细菌能在荒漠地区严酷（干旱、强辐射、温度剧烈变化以及高盐碱）的环境下生长繁殖，通过分泌胞外多糖和施加机械束缚力形成生物结皮，用于防沙治沙，促进荒漠地区的生态修复。类似的策略也可以应用到火星。

燃料

液态氢可以作为航天推进剂，但考虑到综合性能，液态甲烷是更具优势的推进剂。氢气与二氧化碳在高温、高压条件下发生Sabatier反应可生成甲烷和水。火星大气层中有丰富的二氧化碳，二氧化碳分压为地球的17.6倍。氢气可以通过电解水得到，蓝细菌也可以产生氢气，相比电解水制氢可以显著降低能耗。蓝细菌主要通过固氮酶和氢化酶产氢。具有固氮能力的念珠藻和鱼腥藻在产氢方面有一定的优势。脂肪烃是汽油、柴油和煤油等液体燃料的主要成分，而脂肪烃的生物合成在蓝细菌中普遍存在。

材料

蓝细菌在营养匮乏的条件下可合成聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate, PHB）等聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHA），作为细胞内的能量和碳源储藏物质。PHA被认为是最有前途的生物塑料之一。它们的机械性能与聚丙烯相似，可以在相似的条件下加工，PHA的主要优点之一是生物可降解性。在火星上PHA等生物聚合物可被用作3D打印的材料(2)。

其他应用

蓝细菌还可以合成类菌孢素氨基酸(Mycosporine-Like Amino Acids，MAAs)、藻蓝蛋白等抗辐射、抗氧化的化合物，以及对乙酰氨基酚(acetaminophen)等药物(2)。作为“跨界小能手”，蓝细菌还可用于人类活动产生的有机废物和废水的回收利用。通过合成生物学等手段对蓝细菌进行改造，将有助于它们完成火星拓荒者的光荣使命。

火星移民计划期待您的参与

人类对火星的了解是一个不断深入的过程。我国计划在2020年实施“天问一号”火星探测任务，将一步完成绕、落、巡三步，这将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。不过，移民火星是一个漫长而且充满挑战的过程，从设想变为现实还有很长的一段路要走。曾经让地球焕发生机的蓝细菌，未来能在火星成功拓荒吗？我们期待着您的真知灼见。

参考文献：

1.C. S. Cockell, Trajectories of Martian Habitability. Astrobiology 14, 182-203 (2014).

2.A. A. Menezes, J. Cumbers, J. A. Hogan, A. P. Arkin, Towards synthetic biological approaches to resource utilization on space missions. Journal of the Royal Society interface 12, 20140715 (2015).

3.N. K. Sharma, S. P. Tiwari, K. Tripathi, A. K. Rai, Sustainability and cyanobacteria (blue-green algae): facts and challenges. Journal of Applied Phycology 23, 1059-1081 (2011).

4.N. Latysheva, V. L. Junker, W. J. Palmer, G. A. Codd, D. Barker, The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria. Bioinformatics 28, 603-606 (2012).

5.D. Dutta, D. De, S. Chaudhuri, S. K. Bhattacharya, Hydrogen production by Cyanobacteria. Microbial Cell Factories 4, 1-11 (2005).

6.C. Verseux et al., Sustainable life support on Mars–the potential roles of cyanobacteria. International Journal of Astrobiology 15, 65-92 (2016).

7.J. I. Gitelson, Biological life-support systems for Mars mission. Advances in Space Research 12, 167-192 (1992).