曾經讓地球煥發生機的它們,未來能在火星拓荒嗎?

北京新浪網 06-29 11:39

來源:科學大院

大約在46億年前,地球誕生。經過漫長的進化,目前地球上的人類正面臨前所未有的危機:資源枯竭、氣候變化、環境污染、生態破壞……不僅如此,宇宙射線爆發、小行星撞擊等威脅,足以毀滅地球上大多數生命。

如果真的要離開地球,我們能去哪裡呢?

目前,以SpaceX創始人Elon Musk為代表的有識之士把目光投向地球的鄰居火星。火星作為太陽系內除地球之外最適合居住的行星,自然是移民的首要考慮對象。Elon Musk致力於讓人類成為跨行星物種,讓人類文明在地球之外得到「備份」。圖1中展示的就是 Elon Musk構想的火星城市藍圖。

下面,我們將開啟這份星球備份計劃,看看火星將被如何開荒建設的吧~

火星上現在有什麼?

目前的火星基本上是一個寒冷的紅色荒漠。自20世紀60年代以來,人類向火星發射了超過40枚空間探測器,進行了詳細的科學探測。火星表面溫度-140 ℃到 30℃,平均-60 ℃。火星大氣成分為95%的二氧化碳,3%的氮氣,1.6%氬氣,0.13% 氧氣和0.03% 水蒸氣等,常有沙塵暴發生。火星大氣層非常稀薄,僅相當於地球大氣層的0.7%,加上沒有完整的磁場,火星只能抵擋部分的太陽輻射和宇宙射線。火星表面沒有穩定的液態水,只有間歇流動的液態鹽水,但風化層中含有豐富的水分;在火星兩極存在大量的水冰,在火星冰蓋之下還發現一個直徑20公里的冰下湖。火星風化層含有豐富的二氧化矽、三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鎂以及氧化鈣等礦物質。

即使技術的進步可以使人類在未來幾十年內到達火星,考慮到從地球到火星極其昂貴的運送費用,建立人類定居點所需的物資將只有極少部分能從地球運送,而絕大部分要通過就地取材來解決。除了火星自帶buff,運送什麼去火星性價比最高呢?

火星開荒,藍細菌「請戰」

生物系統能夠有效地利用各種自然資源,但是大多數植物和微生物無法直接利用火星現有的資源,從地球運送物資來維持它們的生長代謝將極大地限製成本效益和可持續性。

藍細菌又名藍藻,是地球進化過程中較早出現的光能自養微生物,在35億年前地球從無氧轉變為有氧環境的過程中發揮了重要的作用。據估算藍細菌貢獻了地球上氧氣年產量的30% 。藍細菌不僅能進行光合作用,還具有固氮和氫代謝等功能,這意味著藍細菌是少數幾種可以進行多途徑轉換太陽能的生物,並能夠全面參與碳、氫、氧、氮四大元素循環,在物質循環和能量代謝中扮演著重要的角色。藍細菌具有極強的環境適應能力,在包括極地、鹽湖、荒漠等極端條件下廣泛存在。在火星上藍細菌能獲得生長所需的陽光、水和二氧化碳,火星風化層中含有藍細菌生長所需的各種營養元素。藍細菌可以直接用於氧氣、食品,燃料、藥品和材料的生產。

綜上所述,藍細菌可以作為「火星拓荒者」充分利用火星資源從而為火星移民進程開闢道路,使火星成為人類未來的第二個家園。

氧氣

氧氣對人類生存是必不可少的,斷氧後人只能存活2到3分鐘。目前在各種航天器中主要是通過電解水來實現供氧。由於火星的大氣層非常稀薄,而且氧氣只佔火星大氣的0.13%,火星的氧分壓只相當於地球的1/20000。利用火星現有的資源生產氧氣可以考慮採用物理化學方法處理風化層凍土和水冰得到液態水再通過電解水制氧氣,或者通過物理化學方法解離二氧化碳得到氧氣。

藍細菌可以利用太陽能通過光合作用光解水生成氧氣,這為通過物理化學方法製備氧氣提供了有效補充和安全備份。相比物理化學方法,藍細菌光合放氧裝置能耗更低,也易於搭建。藍細菌光合放氧的效率要遠高於植物,而且在光合反應器中通過優化培養溫度、補料速率、細胞濃度和光照強度可以進一步提高藍細菌光合放氧的效率。圖3中展示的就是德國斯圖加特大學與德國航空航天中心和空中客車聯合開發的可整合到生命維持系統的光合生物反應器。據報導採用20升的光合生物反應器就可以滿足一個成年人一天的需氧量。氧氣是光合作用的副產物,很多藍細菌是可食用的,因此產生氧氣所需的資源可同時用於食品的生產。

食品

食品對人類的生存來說也是必不可少的,藍細菌可以在利用火星資源生產食品方面大顯身手。螺旋藻(Spirulina)、髮菜(髮狀念珠藻,Nostoc flagelliforme)、地木耳(普通念珠藻,Nostoc commune)和葛仙米(擬球狀念珠藻,Nostoc sphaeroides )都是傳統的可食用藍細菌。

螺旋藻營養豐富,含有蛋白質、脂肪酸、維生素、色素以及礦物質,蛋白質含量可達干重的50-70%,在世界各地都有廣泛培養及用作膳食補充劑。髮菜富含蛋白質和鈣、鐵等礦物質,耐寒冷、乾旱,抗輻射的能力很強,廣泛分佈於世界各地的沙漠和貧瘠土壤中。地木耳富含蛋白質和維生素,耐寒冷、乾旱,廣泛分佈於世界各地,可生長在岩石及砂土上,在地球的南極仍能生存。考慮到人們的飲食習慣和口味,藍細菌還可以經過簡單加工后添加到其他食品中。經過遺傳改造的藍細菌還可以合成和分泌蔗糖、葡萄糖和果糖等碳水化合物。

火星距離地球最近時約有5500萬公里,從地球到火星要飛行100-300天。髮菜與地木耳經過充分乾燥脫水后可在航天器中長期保存,降低有效載荷的質量和體積。乾燥過的髮菜與地木耳遇水后復甦,又可以重新生長。髮菜及地木耳都屬於念珠藻,具有固氮能力,可以固定火星大氣層中的氮氣為風化層提供天然氮肥。藍細菌還可以利用太陽能和火星上的水份,吸收風化層中的磷、硫、鎂、鐵等各種營養元素,固定火星大氣中的二氧化碳和氮氣,生成可供異養微生物和植物利用的各種底物。

地球上與火星類似的荒漠地區也存在著種類豐富的藍細菌。具鞘微鞘藻等藍細菌能在荒漠地區嚴酷(乾旱、強輻射、溫度劇烈變化以及高鹽鹼)的環境下生長繁殖,通過分泌胞外多糖和施加機械束縛力形成生物結皮,用於防沙治沙,促進荒漠地區的生態修復。類似的策略也可以應用到火星。

燃料

液態氫可以作為航天推進劑,但考慮到綜合性能,液態甲烷是更具優勢的推進劑。氫氣與二氧化碳在高溫、高壓條件下發生Sabatier反應可生成甲烷和水。火星大氣層中有豐富的二氧化碳,二氧化碳分壓為地球的17.6倍。氫氣可以通過電解水得到,藍細菌也可以產生氫氣,相比電解水制氫可以顯著降低能耗。藍細菌主要通過固氮酶和氫化酶產氫。具有固氮能力的念珠藻和魚腥藻在產氫方面有一定的優勢。脂肪烴是汽油、柴油和煤油等液體燃料的主要成分,而脂肪烴的生物合成在藍細菌中普遍存在。

材料

藍細菌在營養匱乏的條件下可合成聚羥基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)等聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA),作為細胞內的能量和碳源儲藏物質。PHA被認為是最有前途的生物塑料之一。它們的機械性能與聚丙烯相似,可以在相似的條件下加工,PHA的主要優點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列印的材料。

其他應用

藍細菌還可以合成類菌孢素氨基酸(Mycosporine-Like Amino Acids,MAAs)、藻藍蛋白等抗輻射、抗氧化的化合物,以及對乙酰氨基酚(acetaminophen)等藥物。作為「跨界小能手」,藍細菌還可用於人類活動產生的有機廢物和廢水的回收利用。通過合成生物學等手段對藍細菌進行改造,將有助於它們完成火星拓荒者的光榮使命。

火星移民計劃期待您的參與

人類對火星的了解是一個不斷深入的過程。我國計劃在2020年實施「天問一號」火星探測任務,將一步完成繞、落、巡三步,這將是世界上首次探索火星即完成軟著陸的任務。不過,移民火星是一個漫長而且充滿挑戰的過程,從設想變為現實還有很長的一段路要走。曾經讓地球煥發生機的藍細菌,未來能在火星成功拓荒嗎?我們期待著您的真知灼見。

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