想移民去火星?藻类或是最佳开路先锋!

图1 火星发现液态水湖(图片来源于网络

仰望星空,人们在欣赏和感叹宇宙的浩瀚无垠与深邃神秘之时,时常思考着茫茫深处是否如地球般存在着智慧生命体?

近日,一则火星发现液态水湖的科学新闻刷爆科技圈(图1)。一时间,“火星有可能存在生命”、“火星移民不是梦”等说法成为社会热点。

图1 火星发现液态水湖(图片来源于网络
图1 火星发现液态水湖(图片来源于网络

水是生命之源。火星液态水湖的存在暗示它可能拥有外星生命。但外星生命长什么样?这主要取决于外星球的环境。就火星而言,其辐射强烈、缺氧低压、温度巨变、荒凉多沙,这些环境特点与早期地球陆地最为接近(图2),而早期地球(25亿年前)只存在一些极端环境微生物。其中一类极端微生物——藻类,在海洋中大量繁殖,利用光合作用吸收CO2,放出O2, 经过漫长过程,终于将地球大气的氧气含量从接近于零逐渐提高到1%以上,为高等的地球生命(如真菌、植物和动物等)的进化提供了必需的物质条件(图3)。

图2 当前火星与早期地球环境比较(图片来源于网络)
图2 当前火星与早期地球环境比较(图片来源于网络)
图3 藻类出现提高早期地球大气的氧含量并促进了高等生物进化(图片来源于网络)
图3 藻类出现提高早期地球大气的氧含量并促进了高等生物进化(图片来源于网络)
表1 火星大气与地球大气成分及气压比较
表1 火星大气与地球大气成分及气压比较

根据火星表面目前的大气等环境条件(表1),不大可能支撑高等的生命形式,因此可以推断,火星生命即使存在也可能是一些极端环境微生物,而极端环境蓝藻可能是候选生物之一(图4)。在当前地球上,也有与火星环境条件最为接近的区域,那就是距地面20-100公里的临近空间。目前中国科学院正在研究临近空间可能存在的生物类群,对于理解火星生命可能的形式具有借鉴意义。

图4 极端藻类拟甲色球藻(Chroococcidiopsis sp.)
图4 极端藻类拟甲色球藻(Chroococcidiopsis sp.)

有关火星移民问题,除了开发先进的运载火箭外,最关键的是要为移民者提供稳定的生命保障系统。短期的载人航天只需通过携带所需的食物、氧气等物质就够了,但超过50天的长期载人航天携带物质就很不划算,必须依赖再生式生命保障系统(图5)。

图5. 宇航员太空飞行所需物质的供给方式(直接运输与再生系统)与飞行时间的关系(引自Jones & Kliss. ASR 2010)
图5. 宇航员太空飞行所需物质的供给方式(直接运输与再生系统)与飞行时间的关系(引自Jones & Kliss. ASR 2010)

藻类在构建再生式生命保障系统中优势显著:

同样是进行光合作用,固定CO2,释放O2,为1名宇航员提供氧气需种植13-15㎡的高等植物,而只需培养1m的藻类即可获得同样当量的氧气,极大地节约空间。

藻类生物质干重中有50%以上的蛋白质,还有不饱和脂肪酸和藻多糖等成分,营养丰富。

藻类可以处理含氮磷的废水,实现物质循环。

藻类培养可以与鱼类等水产养殖结合起来,为宇航员提供其它方法极难获得的动物性蛋白。

因此利用藻类作为生产者构建水生生物单元一直是高效生命保障系统的优良设计方案之一。

地球移民到达火星后,长期生存必须依赖火星基地。除了再生式生命保障系统外,要想持续发展, 还需要开发利用火星当地资源,可以预期,藻类可以起到重要的先锋作用。与地球相比,火星磁场强度低、大气稀薄缺少臭氧层,宇宙辐射严重,在火星表面建设基地必须有严格的辐射防护措施(图6),或者直接选择在地下建设基地。

图6 火星基地设计图(图片来源于网络)
图6 火星基地设计图(图片来源于网络)

由于火星气压只有地球大气压的0.7%,因此基地也应该是封闭系统。其能源可通过光能电池收集太阳光来供给,水的来源可以利用火星两极的冰或液态水,对生命系统而言缺少的是构建有机体所需的大量C、N和P元素。如何找到火星基地所需的C、N元素?答案就在火星大气。比较火星大气和地球大气成分,就会发现,火星大气中含有较为丰富的C、N元素(表1)。目前比较可行的方法是通过机器压缩火星大气至接近地球大气压,再利用藻类和植物等光合作用生物把火星大气中的CO2固定下来,使其加入到火星基地的C循环中,合成碳水化合物及释放氧气;另外还可以利用蓝藻把火星大气中的N固定起来(图7),参与火星基地的N循环中,为合成蛋白质提供元素基础。

图7 固定N2的藻类
图7 固定N2的藻类

有了藻类合成的有机物和氧气,一些具备解磷、解钾等功能的细菌才可以发挥作用,把更多生命活动必需元素从坚硬的火星岩石中释放出来,使得基地的物质更加充足。另外还有一些特殊的藻类在未来火星基地可能有更大的作用:譬如一种从以色列内盖夫沙漠分离的蓝藻Matteia可以降解火星岩石的碳酸钙而放出CO2,参与到C素循环中,增加有机物含量;一些在地球荒漠地带形成的藻类生物结皮可以极大的促进岩石风化碎屑的成土作用,同时还能提高土壤肥力,改良土壤结构,为后续种植高等植物提供肥沃的土壤。中国科学院水生生物研究所刘永定研究员团队开发出了利用荒漠藻结皮技术治理荒漠化土壤的技术,在我国北方推广,使24.5万亩荒漠变成了郁郁葱葱的草地 。刘永定研究员据此提出利用荒漠藻类结皮改造火星地表,促进其地球化的大胆设想,受到了英国太空生物学学会主席Cockell教授的高度评价。因此,藻类可以作为火星基地物质循环和环境改造方面的先锋物种。

在地球的地质演化史上,毫不起眼的藻类曾扮演了重要的角色。正是由于藻类的作用才使得地球由荒凉走向了繁荣,变成了人类舒适的家园。未来在人类走向火星甚至更远星球的“诺亚方舟”中,一定会带上藻类这样的开路先锋!

 

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