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如果真的要離開地球，我們能去哪里呢？
火星作為太陽系內(nèi)除地球之外最適合居住的行星，自然是移民的首要考慮對(duì)象。
下面，我們將開啟這份星球備份計(jì)劃，看看火星將被如何開荒建設(shè)吧。
火星上現(xiàn)在有什么？
目前的火星基本上是一個(gè)寒冷的紅色荒漠。自20世紀(jì)60年代以來，人類向火星發(fā)射了超過40枚空間探測(cè)器，進(jìn)行了詳細(xì)的科學(xué)探測(cè)?；鹦潜砻鏈囟?140℃到30℃，平均-60 ℃?；鹦谴髿獬煞譃?5%的二氧化碳，3%的氮?dú)猓?.6%氬氣，0.13%氧氣和0.03%水蒸氣等，常有沙塵暴發(fā)生?；鹦谴髿鈱臃浅Ｏ”?，僅相當(dāng)于地球大氣層的0.7%，加上沒有完整的磁場(chǎng)，火星只能抵擋部分的太陽輻射和宇宙射線?；鹦潜砻鏇]有穩(wěn)定的液態(tài)水，只有間歇流動(dòng)的液態(tài)鹽水，但風(fēng)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(fā)現(xiàn)一個(gè)直徑20公里的冰下湖。火星風(fēng)化層含有豐富的二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鎂以及氧化鈣等礦物質(zhì)。
即使技術(shù)的進(jìn)步可以使人類在未來幾十年內(nèi)到達(dá)火星，考慮到從地球到火星極其昂貴的運(yùn)送費(fèi)用，建立人類定居點(diǎn)所需的物資將只有極少部分能從地球運(yùn)送，絕大部分要通過就地取材來解決。那么，運(yùn)送什么去火星性價(jià)比最高呢？
火星開荒，藍(lán)細(xì)菌“請(qǐng)戰(zhàn)”
生物系統(tǒng)能夠有效地利用各種自然資源，但是大多數(shù)植物和微生物無法直接利用火星現(xiàn)有的資源，從地球運(yùn)送物資來維持它們的生長(zhǎng)代謝將極大地限制成本效益和可持續(xù)性。
藍(lán)細(xì)菌又名藍(lán)藻，是地球進(jìn)化過程中較早出現(xiàn)的光能自養(yǎng)微生物，在35億年前地球從無氧轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒醐h(huán)境的過程中發(fā)揮了重要的作用。據(jù)估算藍(lán)細(xì)菌貢獻(xiàn)了地球上氧氣年產(chǎn)量的30%。藍(lán)細(xì)菌不僅能進(jìn)行光合作用，還具有固氮和氫代謝等功能，這意味著藍(lán)細(xì)菌是少數(shù)幾種可以進(jìn)行多途徑轉(zhuǎn)換太陽能的生物，并能夠全面參與碳、氫、氧、氮四大元素循環(huán)，在物質(zhì)循環(huán)和能量代謝中扮演著重要的角色。藍(lán)細(xì)菌具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)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(lán)細(xì)菌能獲得生長(zhǎng)所需的陽光、水和二氧化碳，火星風(fēng)化層中也含有藍(lán)細(xì)菌生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素。藍(lán)細(xì)菌可以直接用于氧氣、食品，燃料、藥品和材料的生產(chǎn)。
綜上所述，藍(lán)細(xì)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(jìn)程開辟道路，使火星成為人類未來的第二個(gè)家園。
氧氣
氧氣對(duì)人類生存是必不可少的，斷氧后人只能存活2到3分鐘。目前在各種航天器中主要是通過電解水來實(shí)現(xiàn)供氧。由于火星的大氣層非常稀薄，而且氧氣只占火星大氣的0.13%，火星的氧分壓只相當(dāng)于地球的1/20000。利用火星現(xiàn)有的資源生產(chǎn)氧氣可以考慮采用物理化學(xué)方法處理風(fēng)化層凍土和水冰得到液態(tài)水，再通過電解水制氧氣，或者通過物理化學(xué)方法解離二氧化碳得到氧氣。
藍(lán)細(xì)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(xué)方法制備氧氣提供了有效補(bǔ)充和安全備份。相比物理化學(xué)方法，藍(lán)細(xì)菌光合放氧裝置能耗更低，也易于搭建。藍(lán)細(xì)菌光合放氧的效率要遠(yuǎn)高于植物，而且在光合反應(yīng)器中通過優(yōu)化培養(yǎng)溫度、補(bǔ)料速率、細(xì)胞濃度和光照強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高藍(lán)細(xì)菌光合放氧的效率。很多藍(lán)細(xì)菌是可食用的，因此產(chǎn)生氧氣所需的資源可同時(shí)用于食品的生產(chǎn)。
食品
食品對(duì)人類的生存來說也是必不可少的，藍(lán)細(xì)菌可以在利用火星資源生產(chǎn)食品方面大顯身手。螺旋藻（Spirulina）、發(fā)菜（發(fā)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(tǒng)的可食用藍(lán)細(xì)菌。
螺旋藻營(yíng)養(yǎng)豐富，含有蛋白質(zhì)、脂肪酸、維生素、色素以及礦物質(zhì)，蛋白質(zhì)含量可達(dá)干重的50%~70%，在世界各地都有廣泛培養(yǎng)及用作膳食補(bǔ)充劑。發(fā)菜富含蛋白質(zhì)和鈣、鐵等礦物質(zhì)，耐寒冷、干旱，抗輻射的能力很強(qiáng)，廣泛分布于世界各地的沙漠和貧瘠土壤中。地木耳富含蛋白質(zhì)和維生素，耐寒冷、干旱，廣泛分布于世界各地，可生長(zhǎng)在巖石及砂土上，在地球的南極仍能生存?？紤]到人們的飲食習(xí)慣和口味，藍(lán)細(xì)菌還可以經(jīng)過簡(jiǎn)單加工后添加到其他食品中。經(jīng)過遺傳改造的藍(lán)細(xì)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(shí)約有5500萬公里，從地球到火星要飛行100~300天。發(fā)菜與地木耳經(jīng)過充分干燥脫水后可在航天器中長(zhǎng)期保存，降低有效載荷的質(zhì)量和體積。干燥過的發(fā)菜與地木耳遇水后復(fù)蘇，又可以重新生長(zhǎng)。發(fā)菜及地木耳都屬于念珠藻，具有固氮能力，可以固定火星大氣層中的氮?dú)鉃轱L(fēng)化層提供天然氮肥。藍(lán)細(xì)菌還可以利用太陽能和火星上的水分，吸收風(fēng)化層中的磷、硫、鎂、鐵等各種營(yíng)養(yǎng)元素，固定火星大氣中的二氧化碳和氮?dú)猓煽晒┊愷B(yǎng)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(qū)也存在著種類豐富的藍(lán)細(xì)菌。具鞘微鞘藻等藍(lán)細(xì)菌能在荒漠地區(qū)嚴(yán)酷（干旱、強(qiáng)輻射、溫度劇烈變化以及高鹽堿）的環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖，通過分泌胞外多糖和施加機(jī)械束縛力形成生物結(jié)皮，用于防沙治沙，促進(jìn)荒漠地區(qū)的生態(tài)修復(fù)。類似的策略也可以應(yīng)用到火星。
燃料
液態(tài)氫可以作為航天推進(jìn)劑，但考慮到綜合性能，液態(tài)甲烷是更具優(yōu)勢(shì)的推進(jìn)劑。氫氣與二氧化碳在高溫、高壓條件下發(fā)生Sabatier反應(yīng)可生成甲烷和水?；鹦谴髿鈱又杏胸S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(lán)細(xì)菌也可以產(chǎn)生氫氣，相比電解水制氫可以顯著降低能耗。藍(lán)細(xì)菌主要通過固氮酶和氫化酶產(chǎn)氫。具有固氮能力的念珠藻和魚腥藻在產(chǎn)氫方面有一定的優(yōu)勢(shì)。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(lán)細(xì)菌中普遍存在。
材料
藍(lán)細(xì)菌在營(yíng)養(yǎng)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(xì)胞內(nèi)的能量和碳源儲(chǔ)藏物質(zhì)。PHA被認(rèn)為是最有前途的生物塑料之一。它們的機(jī)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(yōu)點(diǎn)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。
其他應(yīng)用
藍(lán)細(xì)菌還可以合成類菌孢素氨基酸（Mycosporine-Like Amino Acids，MAAs）、藻藍(lán)蛋白等抗輻射、抗氧化的化合物，以及對(duì)乙酰氨基酚（acetaminophen）等藥物。作為“跨界小能手”，藍(lán)細(xì)菌還可用于人類活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)廢物和廢水的回收利用。通過合成生物學(xué)等手段對(duì)藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行改造，將有助于它們完成火星拓荒者的光榮使命。
人類對(duì)火星的了解是一個(gè)不斷深入的過程。移民火星是一個(gè)漫長(zhǎng)而且充滿挑戰(zhàn)的過程，從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)還有很長(zhǎng)的一段路要走。曾經(jīng)讓地球煥發(fā)生機(jī)的藍(lán)細(xì)菌，未來能在火星成功拓荒嗎？
參考文獻(xiàn)：
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).
責(zé)任編輯：陶薩麗慶
