火星
为什么火星上无法生长任何东西
两年前，我的一个朋友在波士顿请我喝咖啡时说：“我认为我们可以设计一种生物来改造火星。”
改造火星——即将其转变为适合生命生存的星球，一直是科幻小说作家和未来学家的梦想。从Isaac Asimov到Kim Stanley Robinson，他们都设想过人类居住在多行星文明中的情景。火星是这一雄心壮志的显而易见的候选星球，因为我们太阳系中的其他卫星和行星更不适合居住。
月球没有大气层，水、碳和氮的供应极少，因此只适合作为前往其他目的地的中途停留点。金星上的碳(即使是钻石)很快会被硫酸和高温氧化成二氧化碳。土星的卫星环境相对较好——Enceladus有液态水，但没有大气层，氮的供应也有限——而且距离遥远。到达火星需要七个月的时间，但到达土星需要几年。
有许多改造火星的方法，但首先要克服恶劣的温度环境。1923年，德国物理学家Hermann Oberth描述了直径数百公里的巨型空间镜，可以将太阳辐射重新定向到行星表面，使其变得适合宇航员居住。另一个选择可能是引入温室气体或气溶胶来捕获热量。但这需要持续进行——温室气体会分解，气溶胶颗粒会沉降。
现代合成生物学提供了可能的技术，通过这种技术我们可以改造火星。这个壮举可以通过设计一种能够在火星表面生存的微生物来实现，然后让它在火星上生长和扩散。然而，这比说起来容易。在地球上，生命已经在辐射、毒素和寒冷中茁壮成长。但这些“极端”条件往往存在于孤立的区域，通常不会同时出现。目前没有已知的微生物能够同时应对所有这些环境挑战，而这正是它们在火星上生存所需要的。
在波士顿的那次咖啡会面之后，我和朋友继续设想改造火星的可能性。我们研究了地球上生命体已经具备的许多“极端”适应性，并推测生物技术如何将它们结合起来，创造出一种能在荒凉、干燥、有毒和辐射表面茁壮成长的微生物。最近，我们成立了Pioneer Labs，一家致力于了解生命极限的研究非营利组织。我们的目标是制造出一种能够在火星外生长的生物体。无论我们的尝试是成功还是失败，都将提高绿色生物技术的经济性和能力。
但首先，需要注意一些问题。即使我们成功制造出一种能够改造火星的微生物，这并不意味着我们一定会将它送入太空。我们的优先任务是扩展对生物体极限的认识，而不是单方面改造行星或将改造微生物出售给出价最高的买家。而且，说实话，我们并不指望会成功。
火星表面比地球上几乎任何环境都干燥得多，因为低压、寒冷和高盐浓度。火星上的生命需要具备地球上从未进化出的适应性。但如果我们成功了，那么我们的微生物就可以开始像地球上的微生物改变古代地球那样改变火星。它们可以产生温室气体来加热火星，分解土壤中的硝酸盐来增厚大气层，并释放氧气供生物呼吸。
进展会很缓慢，但将红色星球变绿是人类能够自由行走在火星表面的唯一方法。
火星上的挑战
在火星上生存有五个主要障碍：辐射、毒素、温度、大气和水。
辐射常被天体生物学家列为主要的太空危害。一次往返火星的旅行将会受到约0.5西弗的辐射，辐射粒子大且速度快，即使厚重的屏蔽也难以阻挡。而5西弗的辐射剂量会杀死约一半的人。然而，微生物能够承受比人类多一千倍的电离辐射，这表明NASA在太空任务中对电离辐射的担忧对微生物来说是微不足道的。
然而，紫外线并不微不足道。火星几乎没有臭氧层，尽管距离太阳较远，但它的紫外线强度是地球的千倍。高频率的UVC波长尤其危险，火星的UVC强度在每平方米3.2到5.5瓦特之间。虽然宇航员可以通过玻璃或薄金属片轻松保护自己免受紫外线伤害，但放置在火星表面的微生物会在几分钟内被紫外线摧毁，DNA被破坏，蛋白质失去稳定性。
很多生物学家认为芽孢杆菌是最耐受恶劣环境的生命形式之一。它们能在没有任何营养的情况下存活多年，并在萌发后几分钟内“复活”。但即使是芽孢杆菌，也会在火星水平的UVC光下几分钟内死亡。
虽然紫外线辐射对潜在的火星改造微生物来说显然是个问题，但地球上的其他生物已经进化出巧妙的机制来抵抗其破坏性影响。例如，1950年代首次分离出的抗辐射微生物Deinococcus radiodurans，其致死紫外线剂量高达每平方米627焦耳。来自智利沙漠的嗜金微生物Hymenobacter和从西班牙酸性火山中分离出的S. solfataricus可以在更高水平的紫外线下存活。
有趣的是，地球上没有任何环境接近火星表面的紫外线水平，因此这种高水平的辐射抗性似乎并没有进化的必要。也许这些生物抵抗氧化剂的分子适应也能抵抗紫外线。
抗辐射微生物已经进化出数十种不同的分子策略，这些策略共同作用提供高水平的抗性。有些微生物会产生吸收辐射的色素和保护基因的抗氧化剂，而另一些则会复制多份基因组，这样损伤的一份可以由另一份轻松修复。
毒素对火星生命来说也是一大威胁，火星土壤中含有高水平的高氯酸盐，这是一种存在于火箭燃料和爆炸物中的化学物质。在地球上，根据马萨诸塞州环境保护部的数据，高氯酸盐被认为是工业废料，浓度超过20亿分之一对人类有毒。火星土壤中的高氯酸盐浓度高到足以阻止植物生长。火星上的任何液态水也预计是饱和的高盐水，含有15-50%的高氯酸盐。
地球上的微生物已经进化出几种应对毒素的策略。一种常见于奶酪中的酵母Debaryomyces hansenii可以在30%高氯酸盐的培养基中生长。这些酵母细胞会合成大量糖类来调节其内部渗透压，并将糖类附着在蛋白质上以稳定它们免受高氯酸盐的损害。其他生物利用高氯酸盐作为能量来源，将其分解为水和氯离子，从反应中获取能量。NASA正在与加州大学伯克利分校的研究人员合作，利用这些生物来解毒火星土壤，以便农作物能够在其中生长。
再者，火星位于比地球远约五千万英里的地方，非常寒冷。火星表面的平均温度约为-60°C。赤道的陆地温度可达到20°C，但极地的温度可降至-150°C，冷到足以使二氧化碳直接从空气中凝结成干冰。1983年7月，南极洲沃斯托克站的温度计记录了地球上最低的温度，为-89.2°C。
要使某种生物在火星上繁衍生息，它必须首先在低于水冰点的温度下生长。在地球上，一种发现于北极永冻层的微生物Planococcus halocryophilus可以在低至-15°C的营养丰富培养基中生长。一种最早在冰川盐水口袋中分离出的细菌Psychromonas ingrahamii可以在-12°C的温度下生长。在这样的低温下，这些生物每十天只分裂一次，这意味着1克细胞需要整整一年才能分裂成30千吨的生物量。在火星赤道三分之一左右的地方，温度类似于地球上的低温区域，表明地球上已经存在能够耐受火星大部分温度的生物。
耐受大气压力或缺乏大气也是一个挑战。火星的大气几乎没有氧气，其密度约为地球的百分之一。它由95%的二氧化碳、3%的氮气和不到2%的氩气组成，还含有少量一氧化碳和氢气。这种气体混合物对大多数动物来说是致命的，但对微生物来说是可接受的，许多微生物是厌氧的，因此不需要氧气，甚至被氧气毒害。那些能够耐受毒素的高氯酸盐还原菌大多是厌氧菌，表明它们不生活在有氧环境中。蓝细菌可以在模拟的火星大气中良好生长，高水平的二氧化碳实际上提高了它们的光合作用效率。
火星“海平面”的大气压力约为地球的155倍。但这对微生物来说并不是问题。细菌只要能够获得代谢所需的气体，如需氧菌的氧气、光合细胞的二氧化碳和固氮微生物的氮气，就能在低压环境中正常生长。
即使某种微生物能够耐受所有这些挑战——低压、寒冷温度和有毒土壤——那么水呢？在地球上，有些特殊的微生物可以在盐晶上凝结的微量水中生存，或进化出巧妙的策略来在干旱时保存水分。但地球上的所有生命都需要液态水来生存。不幸的是，在火星赤道附近几乎不存在水，在那里温度与地球相似。冰冻水存在于极地，温度降至-100°C，或者附着在水合矿物中。科学家在2015年宣布在火星上发现液态水的证据，但必须考虑到这种水的状态；是被高浓度盐保持液态的冷盐水。
水的缺乏是为什么火星上无法生长任何东西的主要原因。
不可用的水
如果将整个湖泊倒入火星，大部分水会在低压大气中蒸发并在冰冷的极地凝结。火星的盐土会吸收剩余的水，将水分子紧紧束缚住，使其无法蒸发。
很难夸大火星土壤的干燥程度；它足够盐和干燥，可以从任何进化于地球的生物中吸取水分。整个星球基本上像那些在牛肉干包装中发现的写着“不可食用”的白色小包。那些小包保持食品干燥，以防止变质。盐腌食品是一种古老的保存方法，通过吸收水分使其不能被微生物利用，其工作原理与火星土壤相同。
火星的宜居性受其水的热力学可用性的限制，或者说其水活度。这个科学值以0到1之间的数字表示，其中1表示纯水，0表示没有可用的水。任何加入低水活度材料的水都会很快被吸收。水活度为0.6或更低的食品基本上不会被污染，因为缺乏水分会阻止微生物生长。干果和蜂蜜的水活度约为0.55，这意味着如果保持适当干燥，它们将不会变质。例如，在1922年发掘的图坦卡蒙陵墓中发现的蜂蜜，经过数千年仍然完好无损。NASA资助的研究表明火星土壤的水活度可能低至0.4，这对于大多数地球生物来说是致命的。即使有些微生物能够在这种极端干燥的条件下生存，它们的生长速度也会极其缓慢。
尽管挑战重重，科学家们仍在探索可能使火星适宜生命的办法。一种可能的方法是引入地球上的极端微生物，通过微生物群体逐步改变火星环境。这种生物技术策略被称为“生物地球化”或“生物改造”。
火星生物改造的前景
生物地球化的核心思想是利用微生物的特殊能力来改造火星环境，使其更适合居住。例如，耐辐射的细菌如Deinococcus radiodurans可以用来处理火星表面的高辐射水平，而嗜盐细菌如Halomonas可以在高盐度的环境中生存并分解有害的高氯酸盐。通过基因工程，这些微生物还可以被赋予更多的功能，例如产生氧气、固定氮或分解火星土壤中的其他有毒化学物质。
此外，科学家们正在研究如何利用微生物来释放火星上的水资源。比如，一些细菌可以分解水合矿物，释放其中的水分，或者通过生物技术手段增强其耐干燥能力，从而在火星极端干燥的环境中生存和繁殖。
尽管这些策略听起来像是科幻小说，但它们都基于现有的科学原理和技术。实现火星的生物地球化可能需要数十年甚至数百年的时间，但它为未来的火星探险和定居提供了一条可行的途径。