人類靠什么在火星上生存?
2019-10-25 16:26

人類靠什么在火星上生存?

文章來自微信公眾號:造就(ID:xingshu100),翻譯:于波,校對:Lily,來源 :Popsic

,頭圖來自:東方IC


當地時間周一,美國宇航局(NASA)局長吉姆·布里登斯廷參加國際宇航大會時被問及:人類何時能登上火星?對此,布里登斯廷表示:“如果我們的預算充足,我認為有望在2035年實現這個目標。我們的目標是在五年內登陸月球,并在2028年實現可持續發展目標。”他隨后解釋說,”可持續發展意味著人們在另一個世界長時間生活和工作”。


登上火星之后,我們就可以在火星生存了嗎?


科學家在地球最惡劣的環境中尋找嗜極生物,以研究生命如何在火星上生存。巖石下的這些不明微生物發現于智利阿塔卡馬沙漠的海岸山脈。在這個干旱貧瘠的高原上也有鹽結殼,后者構成了地球上最像火星的環境。


當人類最終踏上滿是塵土的火星時,在未來的太空探索中,某些“宇航員”小到無法用肉眼看見。但這并不意味著它們扮演的角色不重要。


進行載人火星任務,需要住所、可呼吸的空氣、衣服、食物、藥品、能源、垃圾處理和其他服務。其中很多需求都可以通過生物體來滿足。


“幾千年來,我們一直把生物學作為一項技術,用來做衣服、建房子。”美國宇航局(NASA)阿姆斯研究中心的天體生物學家、合成生物學家林恩·羅斯柴爾德(Lynn Rothschild)說,“在火星上,我們也將這么干,只不過方式不同。這想想就讓人覺得有點瘋狂。”


宇航員將不僅僅依靠來自地球的物資供給,他們還可以利用微生物,就地制造一些物資。某些細菌可以利用火星上的有限資源,為火星基地內簡單的生態系統提供支持,甚至幫助小型植物生長。它們可以制造氧氣、分解垃圾,還可以制造有用的材料,協助開采金屬。


“我們要把我們能夠在火星上找到的東西都利用起來。這樣的話,我們就需要生物學。”羅馬第二大學博士生、羅斯柴爾德的學生西普里安·韋爾索(Cyprien Verseux)說。


火星生命?


羅斯柴爾德及其同事最近報告稱,他們發現了一種生長在沙漠中的細菌,它對C類紫外線輻射的抵抗力超過了著名的耐輻射球菌(上圖,也稱柯南細菌)。弄清楚這種細菌為何具有如此能力,有助于科學家改造其他細菌的基因,從而增強它們對火星輻射水平的抵抗力。


火星勉強適合生命生存。這意味著把微生物帶到火星,會讓尋找火星“原住民”的科學家感到擔憂。“如果那里原本有生命形式存在,但我們污染或者徹底殺死了它們,這將是一個巨大的悲劇。”羅斯柴爾德說。


如果宇航員后來“發現”了火星生命,地球微生物可能會令人產生混淆。“你也許無法分辨它到底是不是火星上的生命。”韋爾索說,“因此,我們必須確保我們用來維持生命的微生物不會污染火星。”


確保人類負責任地探索太空,這是NASA行星保護辦公室和國際空間研究委員會的使命。


對火星探索任務的規定,比對月球和小行星飛船的規定都更加嚴格。那些天體不太可能有生命,但“火星可能擁有適合生命生存的環境,因此前往火星時,必須非常謹慎,直至我們知道那里沒有生命。”地外文明探索研究中心從事行星保護工作的資深科學家瑪格麗特·賴斯(Margaret Race)說。


目前尚未對載人火星任務做出具體的管理規定。“還沒有任何明確的規定。”賴斯說,“如果有人現在就想把微生物弄上火星,這是不允許的。”


無論如何,當宇航員登陸火星時,他們都將隨身攜帶微生物。“人體身上就有微生物菌群。如果把人類送上火星,我們無法先滅掉宇航員身上的微生物。”賴斯說。


想要限制污染,方法之一是對火星上最有可能存在生命的區域采取特殊保護。另一個方法是修改人體微生物的DNA,以避免被火星生命“讀取”和吸收。


關于把人類和其他生命送上火星的問題,國際社會還在考慮最佳方案。“沒有人站出來阻止這件事。”賴斯說,“但我們認為,在我們進入未知區域時,如何確保我們能負責任地行事?”


地球生命能在火星上存活嗎?


只需進行簡單的基因改造,就能讓微生物做好登陸火星的準備。一支由斯坦福大學和布朗大學聯合組建的團隊改造了魚腥藻的基因,改造后的魚腥藻可以把為自己制造的糖分噴出體外,其他微生物則可以靠這些糖分為食。(這里的微生物是指在土壤和人體腸道中發現的枯草桿菌。) “PowerCell”項目將于2017年3月投入測試,屆時它將搭乘德國航空中心的一顆衛星升空,研究人員將觀察它如何適應低重力環境。


嚴格來說,我們已經把生命送上火星了。柏林工業大學天體生物學家德克·舒爾策-馬庫奇(Dirk Schulze-Makuch)說,在探測器離開地球軌道之前采取的殺菌消毒措施不管多么嚴格,都無法做到百分之百有效。“問題只在于它們是否有可能在那里存活下來。”


但羅斯柴爾德指出,那些微生物不大可能在火星上生根發芽,污染這顆紅色星球。愛丁堡大學天體生物學家查爾斯·科克爾(Charles Cockell)曾在2002年指出,火星的生存環境極其惡劣。


低重力(大概只有地球重力的38%)可能不會對那些微小的有機體造成影響。還有充足的陽光供微生物進行光合作用。但火星很冷,平均地表溫度大約為零下60度。空氣也非常稀薄,氣壓只有地球海平面的1%左右。我們的星球有磁場,可以保護我們免受輻射傷害,但火星沒有。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態水。”科克爾說,“那是個干旱、被輻射灼烤的環境。”


很多微生物可以進入休眠狀態,而且地球微生物也許會被吹到遮蔽區域或者被埋起來。如果它們藏在巖石下,就能躲避最嚴酷的低溫和輻射。但它們必須從空氣中吸收水分,或者從季節性鹵水滲漏中找到水。


在火星上的洞穴里(很早以前因流動的巖漿而形成),也可能存在水和更濃密的空氣。另一個可能的庇護所是存在液態水滴的火星極地冰層。


“一般認為這些都不大可能發生,地球微生物已經死了。”馬庫奇說,“不過,我們也不能確定。沒錯,火星地表環境十分惡劣,但也不應該低估地球微生物的生命力。


對此,羅斯柴爾德持相同看法。“地球微生物不太可能占領這顆星球。”她說,“但我敢肯定,它們能在那里生存下來,至少短期內可以。”


火星動物園


羅斯柴爾德與斯坦福-布朗大學iGEM團隊的本科生合作,利用巴氏芽孢桿菌,制造了一種類似水泥的材料。與尿液、沙和氯化鈣混合后,巴氏芽孢桿菌會促使碳酸鈣晶體的形成,將沙粒粘合在一起。通過這項技術,可以利用火星浮土來制造磚塊。


幾十億年前,一種名為藍藻的微生物為地球生命的繁衍鋪平了道路。植物出現之前很久,藍藻就在釋放氧氣,這是其光合作用的副產品。


在羅斯柴爾德眼中,富含氧氣的地球大氣層堪稱完美的例子,表明生命作為一項技術,其力量是何等之大。而它在外太空為我們服務的潛力,也是同樣巨大。


在火星上,宇航員也可以利用藍藻制造有用的材料,并為其他重要的微生物和植物提供支持。我們已經依靠微生物來提供酒、奶酪和酸奶等美食以及其他重要服務。


“它們幫助我們制造食物和藥品,幫助我們回收垃圾。”科克爾說,“它們在火星上也能發揮這些作用,就像它們在地球上一樣。”


在火星上利用微生物制造物品,可以減少我們從地球運送的物資重量。擺脫地球重力是極其昂貴的。羅斯柴爾德說,單是發送一聽可樂,就要花掉1萬美元。這還只是在軌道上,“你甚至沒有抵達火星”。


而微生物的重量微乎其微,更容易運往火星。“在那里,它們會繁殖,就地取材,利用太陽能,就像地球上的植物和藻類。”羅斯柴爾德說。微生物可以利用火星上已有的水、礦物質和大氣氣體。“你可以用藍藻產生的材料制造各種東西,不管是塑料品還是住處。”


某些微生物可以用來制造食物、氧氣和燃料,或者回收垃圾以便為植物和人類提供養分。微生物還可以用于分解巖石,從中提取有用的金屬(在地球上,“生物采礦”已經被用來開采黃金和銅)。如果與正確的成分混合,有些微生物可以把火星的灰塵顆粒粘在一起,制造蓋房所需的磚塊。


用培養液種植的萵苣。在為期一年的隔離實驗中,韋爾索利用提取自藍藻的營養成分來種植萵苣。這次實驗旨在模擬載人火星任務。“我本來可以在常規實驗室中做這個,但我想親眼看看,使用這些系統的人究竟會處于什么樣的環境中,我覺得這是個好主意。”韋爾索說。他還說,坐在舒服的辦公室里是想象不出來的。


如果宇航員想用火星土壤種點東西,微生物會特別有用。在箱體內,必須保護植物免受輻射傷害,并為植物提供水和培養液或者肥沃的土壤。“微生物可以把火星上已有的元素轉換成植物能夠利用的形態。”韋爾索說。


宇航員可以種植植物,這樣既能獲得食物和氧氣,也能在一望無際的紅色景象令人感到單調沉悶之時,舒緩身心。


“種植植物對宇航員的心理健康很有好處,比如在國際空間站就是如此。”科克爾說,“這讓人們有東西可以照料。”


動物會占用很多空間和資源,因此在執行早期任務時,宇航員可能不會帶上它們。但蠶蟲、魚和貝類這樣的小動物可能最終會被送上火星。


創造更強壯的微生物


美國猶他州天然橋國家保護區里的結皮,由微生物和土壤形成。幾年前,科克爾和同事在內蒙古騰格里沙漠的沙土中培養并種植了藍藻,15天后,形成了人工結皮。類似的方法可以用來減少火星基地里的塵土。


我們攜帶的植物或微生物不一定非要在惡劣的火星地表生存。宇航員需要躲避寒冷、干燥、充滿輻射、氣壓極低的火星環境,微生物和植物同樣需要保護。


對微生物進行基因改造,使它們變得比在地球上更加強壯,這會帶來很多好處。首先是更安全。如果容納微生物的設施出了問題,它們將不得不面對極端環境。


另外,生命力頑強的微生物,安置成本也更低。“在類似于火星的環境中,它們的生命力越強,它們所需要的保護就越少,重建地球式環境的必要性就越低。”韋爾索說。


而且,微生物可以經過基因改造,更好地完成它們肩負的使命,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,你從貨架上取走一些東西,然后放進你創造的微生物體內。”羅斯柴爾德說。


她正在研究如何改造微生物基因,讓它們在火星上可以充當生物打印機的“墨水”。這樣一來,宇航員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、樹木或者綿羊送上火星。”她說。你可以提取它們的能力,植入更容易攜帶的微生物體內,比如酵母或細菌。


這種技術已經在地球上得到應用,比如抗瘧疾藥物青蒿素。青蒿素提取自一種名為青蒿的植物,但也可以通過基因改造后的酵母進行合成。輪胎制造商和生物科技公司也在研究如何利用酵母制造橡膠,而不是從樹上采集橡膠汁。


目前,羅斯柴爾德在關注角蛋白,這是在羽毛、指甲、頭發和皮膚里發現的一種蛋白質。經過基因改造的微生物可以用來制造角蛋白,然后打印成事先確定的形狀。“這種材料很結實,而且重量輕,延展性好。”她說。


天體生物學家可以利用模擬室來模仿火星地表環境。馬庫奇就利用模擬室測試了Pleopsidium chlorophanum地衣的生長狀況。這種地衣可以忍受高山上的嚴寒和干燥。他和同事們認為,這種地衣也許能在火星上遮蔽區域的環境中生存下來。


我們利用微生物幫助宇航員生存的所有努力,或許也可以為地球上的每個人帶來好處。“完全沒理由認為這些東西不能在地球上使用。”羅斯柴爾德說。


也許有一天,微生物可以通過釋放氧氣和改造土壤,將火星表面變得和地球一樣。對火星上的生命來說,這意味著什么,目前尚無定論。(尤其是考慮到火星的低重力可能會給樹木和人類這樣的較大生物體帶來麻煩。)


“我不希望讓人們覺得,我們是在向火星發射諾亞方舟。”羅斯柴爾德說。她指出,在沒有保護措施的情況下,我們不會討論把動物送上火星的事情,除非我們已經使火星大氣層變得夠厚,足以維持液態水和更高的溫度。


但這將需要很長時間。在火星上利用微生物來維持生命是最基本、也是最容易達成的目標。


如何做到


為了做到這一點,首先要繼續研究那些在地球極端環境中茁壯生長的微生物,比如沙漠、深海“煙囪”和北極冰原。


天體生物學家在最類似火星的地球環境中尋找微生物,以研究火星生命如何在火星上生存。這些探索也能揭示地球微生物在火星上的適應能力。


“你選擇已經存在的微生物,看看它們的局限在哪里,它們的用處有多大。”科克爾說,“了解了這些,你就能更清楚地知道,怎樣才能使它們變得更加強壯。”


科克爾和同事們把巖棲類微生物送入近地軌道,觀察它們在太空艙外的表現。在地球上,特制的房間被用來模擬火星環境,包括溫度、氣壓、干旱及輻射程度。


某種微生物的強大適應力得到確認(或者提升)后,科學家必須弄明白,如何利用工具和箱體使這種微生物發揮作用,同時,工具和箱體的重量和能耗應該越低越好。


歐洲航天局正在開展一個名為“微生態生命支持系統”的項目,試圖利用菌群來分解和回收人類排泄物以及植物的不可食用部分。


科學家也在思考,當宇航員在火星基地真正使用這些工具時,可能會發生哪些狀況。韋爾索曾經和其他五位科學家一起,在夏威夷莫納羅亞火山上的一處研究點,度過了一年與世隔絕的生活,最近,韋爾索離開了那里。


科克爾等天體生物學家用來模擬火星環境的模擬室,微生物就在這里面進行實驗。


HI-SEAS實驗為他提供了絕佳的機會,使他可以研究如何利用藍藻幫助植物生長。“我最大的收獲是知道了如何利用極為有限的資源,比如動力、水、空間、時間、能源等等。”他說。


NASA計劃在本世紀30年代開展載人火星任務,而天體生物學家正在為“火星之旅”尋找和安排宇航員的微生物同伴。


科克爾說,我們一直在研究這些微生物,研究如何更好地利用它們。“我覺得,當人類最終前往火星時,微生物將為人類的探索做好準備。


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