微生物对于人类在火星的生存至关重要

当人类最终踏上火星尘土飞扬的地面时，他们不会孤身一人。未来任务中的一些宇航员将太小，肉眼无法看见。但这并不意味着他们不会发挥重要作用。

载人火星任务需要住所、可呼吸的空气、衣物、食物、药品、能源、垃圾处理等服务。其中许多需求可以通过生物体来满足。

“几千年来，我们一直在利用生物学技术来制作衣服、建造房屋，”加利福尼亚州莫菲特菲尔德 NASA 艾姆斯研究中心的天体生物学家和合成生物学家 Lynn Rothschild 说道。“认为我们将在火星上以其他方式做到这一点有点疯狂。”

宇航员不必仅仅依赖从地球进口的物资，还可以利用微生物在火星上生产一些物资。某些细菌可以利用火星有限的资源，在殖民地内维持简单的生态系统，甚至帮助小植物生长。它们可以制造氧气或分解废物。它们可以被诱导生产有用的材料，或帮助开采金属。

“我们必须利用在火星上发现的东西。我认为我们需要生物学来做到这一点，”罗马第二大学罗斯柴尔德指导的博士生 Cyprien Verseux 说道。

火星上有生命吗？

火星处于适宜居住的边缘。这意味着，将微生物带到火星会让那些寻找本土生命的科学家感到担忧。“如果发现火星上存在某种生命形式，而我们却污染了它或将其完全消灭，那将是一场巨大的悲剧，”罗斯柴尔德说。

如果宇航员后来“发现”了地球上的微生物，它们可能会引起混乱。“存在一种风险，那就是你……无法判断它是否是火星生命，”韦尔索克斯说。“所以我们真的需要确保我们用于生命维持的微生物不会污染火星。”

确保我们负责任地探索太空是美国国家航空航天局 (NASA) 行星保护办公室（座右铭：“所有行星，所有时间”）和国际空间研究委员会 (COSPAR) 的首要任务。

火星任务的监管比月球和小行星航天器的监管更为严格。这些星球不太可能存在生命。但“前往火星，那里可能有适宜居住的环境，你必须非常谨慎，直到你发现其他情况，”加州山景城 SETI 研究所的资深科学家、从事行星保护工作的玛格丽特·雷斯 (Margaret Race) 说。

管理载人火星任务的政策尚未制定。“目前还没有明确的答案，”雷斯说。“如果有人现在想故意引入[微生物]，他们是做不到的。”

无论如何，当宇航员到达火星时，他们都会携带微生物。“我们都有人类微生物群；如果你把人类送上火星，你就不能先给他们消毒，”雷斯说。

限制污染的一种方法是针对本土生物最有可能繁衍生息的地区采取特殊保护措施。另一种方法是修改我们微生物的 DNA，使其无法被火星生物“读取”和吸收。

国际社会仍在考虑如何最好地规划将人类和其他生命送上火星的任务。“没有人会阻止这件事，”雷斯说。“但我们要说的是，当我们迈向显然未知的领域时，我们如何确保我们负责任地做到这一点？”

地球生命可以在火星上生存吗？

从技术上讲，我们已经将生命带到了火星。柏林工业大学的天体生物学家 Dirk Schulze-Makuch 表示，当我们发射探测器时，我们在它离开地球轨道之前对其进行消毒的最大努力仍然不是 100% 有效。“问题只是它们是否有机会在那里生存。”

然而，罗斯柴尔德指出，这些微生物不太可能繁衍生息并污染这颗红色星球。这是因为火星是一个可怕的居住地，正如爱丁堡大学天体生物学家查尔斯·科克尔在 2002 年所写的那样。

低重力（约为地球重力的 38%）可能不会给这些微生物带来麻烦。而且那里的阳光也足够进行光合作用。但火星气候寒冷，平均表面温度为 -80 华氏度。空气稀薄，气压只有地球海平面的 1%。我们的星球有磁屏蔽，可以保护我们免受辐射，而火星没有。此外，火星比地球上任何地方都干燥。“火星表面大部分地方不可能存在液态水，”考克尔说。“这是一个干燥的……辐射烘烤环境，”他说。

许多微生物可以处于休眠状态，地球微生物也有可能被吹到受保护的区域或被埋起来。如果它们能找到岩石下的路，它们可能会避开最严寒和辐射。但它们必须从空气中吸收水分，或在季节性盐水渗漏中找到水。火星洞穴是由流动的熔岩很久以前形成的，也可能含有水和更厚的大气层。另一个可能的避难所是火星极地冰层中的液态水滴。

“普遍的想法是，这可能没有发生，地球上的微生物已经被杀死了，”舒尔茨-马库赫说。“然而，我们不能确定——是的，火星表面环境恶劣，但我们的地球微生物也不应该低估它们。”

罗斯柴尔德对此表示同意。她说：“我们的微生物不太可能统治地球，但我敢打赌它们至少可以在那里生存一小段时间。”

火星动物园

数十亿年前，一种名为蓝藻的微生物为地球上的生命铺平了道路。早在植物出现之前，蓝藻就开始通过光合作用释放氧气。

对于罗斯柴尔德来说，我们富含氧气的大气层完美地体现了生命作为一种技术是多么令人印象深刻，以及它在地球以外为我们服务的巨大潜力。

宇航员还可以利用火星上的蓝藻制造有用的材料，并支持其他有价值的微生物和植物。我们已经依靠微生物为我们提供葡萄酒、奶酪和酸奶等美味佳肴，以及重要服务。“它们帮助我们制造食物、药物，帮助我们回收废物，”考克尔说。“所有这些有用的好处在火星上都会像在地球上一样。”

利用微生物在火星上制造商品可以减少我们需要从地球运送过来的货物数量。摆脱地球引力的成本非常高。仅仅发射一罐可乐就需要花费 1 万美元。而且这还只是在轨道上，罗斯柴尔德说——“你甚至还没到火星呢。”

然而，微生物的重量很轻，因此更容易被带到火星。“然后它们会繁殖，在陆地上生存，利用太阳能，就像地球上的植物和藻类一样，”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。“从那里你可以利用蓝藻产生的材料，开始制造从塑料到栖息地的一切。”

某些微生物可以用来制造食物、氧气或燃料，或回收废物，为植物和人类提供营养。微生物还可以帮助分解岩石并提取有用的金属（在地球上，“生物采矿”已经用于开采金和铜）。当与正确的成分混合时，其他微生物可以将火星尘埃颗粒粘合在一起，制成房屋用砖块。

如果宇航员需要保留火星土壤用于园艺，微生物将特别有用。在封闭的环境中，植物必须受到保护免受辐射，并提供水和水培溶液或肥沃的土壤。“微生物可以将火星上可用的元素转化为植物可以利用的形式，”Verseux 说。

宇航员可以种植植物以获取食物和氧气，也可以作为在无尽的红色美景中休息的场所。“在国际空间站等空间站种植植物对心理有极大的好处，”考克尔说。“这让人们有东西可以照料。”

动物占用大量空间和资源，因此宇航员不太可能在早期任务中携带它们。但蚕、鱼和贝类等小动物最终可能会被送往太空。

培育更好的微生物

我们携带的任何植物或微生物都不必在严酷的火星表面生存。宇航员需要躲避火星寒冷、干燥、辐射和低压环境，微生物和植物也将同样受到保护。

但是，通过基因工程改造宇航员所需的微生物，使其比地球上的微生物更顽强，这样做也有好处。首先，这样做更安全；如果出现问题，安置微生物的设备出现故障，微生物最终还是会面临极端条件。此外，顽强的微生物的安置成本更低。“它们越是在接近火星的环境中茁壮成长，就越不需要提供庇护，也越不需要重建类似地球的环境，”Verseux 说。

此外，微生物还可以通过基因改造，更有效地完成它们所承担的任务，或者扮演全新的角色。“你可以开始把大自然看作一个巨大的基因五金店，你可以从架子上取下东西，然后把它放进你的小生产有机体中，”罗斯柴尔德说。她正在探索如何将经过基因改造的微生物用作火星生物打印机的“墨水”。这将使宇航员能够生产定制工具、智能织物，甚至替代器官。

她说：“你不可能把棉花田、树木或绵羊带到火星。”但你可以利用它们的功能，将它们放入更便携的生物体中，比如酵母或细菌。

这种技术在地球上的一个例子就是抗疟药青蒿素。青蒿素来自甜艾草植物，但也可以通过人工酵母制造。轮胎制造商和生物技术公司也在研究使用酵母来制造橡胶，而不是从树上提取。

目前，罗斯柴尔德关注的是角蛋白，这是一种存在于羽毛、指甲、头发和皮肤中的蛋白质。微生物可以被改造成生产角蛋白，并打印成预定的形状。“想象一下，如果你有一整张这种材料，它非常坚固、轻便、灵活，”她说。

我们利用微生物帮助宇航员生存的所有尝试都可能为地球上的每个人带来进步。“你完全没有理由不能在地球上使用这些东西，”罗斯柴尔德说。

也许有一天，微生物甚至可以通过产生氧气和改造土壤来帮助我们改造火星表面。这对火星表面的生命意味着什么仍是一个悬而未决的问题（尤其是因为火星的低重力可能会对树木和人类等较大的生物造成问题）。

罗斯柴尔德说：“我不想让人们觉得我们只是要把一艘诺亚方舟送到火星。”她说，除非我们能将大气层改造得足够厚，以维持液态水和更高的温度，否则我们甚至不能谈论在没有保护的情况下将动物送上火星。

但这一切都还得等上很多年。将微生物带到火星作为生命支持是首要的、也是更易于实现的目标。

我们如何实现它？

为了实现这一目标，第一步是继续调查地球上在沙漠、深海喷口和北极冰层等极端环境中繁衍生息的微生物。

天体生物学家在与火星最相似的地球栖息地中寻找微生物，以探索本土生命如何在这颗红色星球上生存。这些探险还可以揭示当我们将地球微生物带到火星时可以为它们服务的适应性。

“你可以选择已经存在的微生物，看看它们的极限是什么，以及它们能有多大用处，”考克尔说。“一旦你知道了这一点，你就可以更好地了解你必须尝试做些什么来让它们变得更好。”

科克尔和他的同事将岩石微生物发射到近地轨道，观察它们在航天器外的情况。在地球上，特殊的舱室也可用于模拟火星条件，包括温度、压力、干燥度和辐射。

一旦微生物的耐久性得到确认（或增强），科学家必须弄清楚如何使用尽可能少占用质量和能量的工具和外壳让它们工作。欧洲航天局的微生态生命支持系统 (MELiSSA) 是一个正在进行的项目，它将利用细菌群落分解和回收人类排泄物和植物的不可食用部分。

科学家们还在考虑宇航员在火星基地实际使用这些工具会是什么样子。Verseux 最近从夏威夷莫纳罗亚火山上的一个圆顶中走出来，此前他与其他五名科学家一起隐居了一年。HI-SEAS 实验为他提供了利用蓝藻帮助种植植物的绝佳机会。“让我最有见地的是处理……电力、水、空间、时间、能源等非常有限的资源，”他说。

随着 NASA 计划在 2030 年代开展载人火星轨道飞行任务，天体生物学家正在按计划寻找和准备我们的微生物伙伴，以迎接未来这颗红色星球上的生命。我们一直在了解这些微生物以及如何更好地利用它们，考克尔说。“我认为当人类最终登陆火星时，它们将为人类探索做好准备。”