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绿色微生物才是火星殖民的关键

Cain 发表于 2015-9-30 13:33:27 [ 上一主题] [下一主题]

火星生存必备!
  很久以前,一个称为蓝藻的顽强微生物家族帮助把无生命的地球改造成一个活跃的生物圈。今天,同样的生物也许也是殖民火星的关键。
  植物在这颗红色星球充满敌意的表面上会活得很艰难,但蓝藻应对极端环境已有亿万年。NASA艾姆斯研究所天体生物学家Cyprien Verseux主导的一篇论文认为,我们可以利用这些微小的光合机器生产我们生存所需的许多资源,从食物和氧气到金属和药物。下面是蓝藻能帮助我们建立火星殖民地的所有方式。
  提炼元素
  在科幻小说中,我们看到在经过地球化的火星天空下收割田野里的小麦,在气候受控的栖息所里种植成排的土豆。但在现实中,在火星上种植任何植物都将是一个挑战,因为火星土壤缺乏一些关键成分。
火星。Image Credit: Wikimedia
  首先,火星没有多少氮。植物需要很多这种物质,并且需要两种形式之一的氮:氨NH3,或硝酸盐NO3。火星上绝大多数氮都作为氮气封印在大气中,但就我们所知,其土壤是相当贫氮的。(好奇号火星车在过去的三月份首次在火星上嗅探到一丝对生物有用的氮。)
  这恰好也是地球上的情况,但我们有一个解决办法:微生物。蓝藻属于一组多样化的固氮细菌之一,它们运用专门的酶抓获空气中的氮气转化成氨。在地球上,固氮细菌共生在植物根部,向寄主提供养分以换取糖。Verseux和同事们认为我们同样可以利用蓝藻从火星大气提取我们需要的所有氮肥。
  除了氮之外,还有一个植物和人类要保持健康所需的其它养分细目清单——磷、镁、钾、钙、锌、铁等。这些元素大部分都可以在覆盖火星表面的玄武岩中找到,而蓝藻可以帮助我们提取它们。某些种类能分泌消化矿物质、释放营养成分的酶。事实上,可能正是这种代谢能力帮助古代蓝藻殖民了地球的荒芜表面。
  蓝藻是久经考验的养分采矿工,但也许我们可以把它推进得比已经进化的更远。只要一丢丢基因调整,我们也许能把蓝藻工程化为能从岩石中提取各种有用金属。我们已经在地球上的铜和金采矿作业中利用微生物,而小行星采矿公司“深空实业”正忙于设计能咀嚼太空岩石拉出白金的细菌。星巴克
  火星大淘金热将不会是操鹤嘴锄的拓荒者,而是拿转基因细菌的科学家。
  填饱我们的肚子
  如果火星定居者们要从地球带去所有食物,就会给旅行成本增加巨大的重量、火箭燃料、和金钱。要使火星殖民地可持续,我们需要在火星上种植的食物,但它不一定是植物。
嗯,细菌。Image Credit: Shutterstock
  当然,太空生菜今年在国际空间站上火了,但是在火星,让殖民者们吃绿色微生物则更靠谱。火星只接收到相当于地球44%的阳光,所以我们需要作物尽可能地节能。研究表明,蓝藻是比植物更好的太阳能收集器,把更多比例的入射光子转换为卡路里。更重要的是,通过在环境控制的生物反应器里培养细菌,我们可以把它们的生长优化到绿叶植物根本不可能实现的程度。
  如果午饭吃微生物听起来有点奇怪,请记住,在你们地球上蓝藻已经是一种很受欢迎的补品。听说过螺旋藻吗?这种在健康食品店和时髦果汁吧里很火的蓝绿色粉末是属于节旋藻属的一种蓝藻。节旋藻蛋白质含量很高,而且是一个近乎完全的营养来源,仅缺乏维生素C和某些必要油脂。再次地,利用一点转基因,我们也许能够完善节旋藻的营养成分——以及口味。南瓜香料螺旋藻吧可能就是我们勇敢的火星殖民者们所需要的家的感觉。
  给我们呼吸空气
  稀薄的火星大气实际上是无氧的:0.13% O2,相比地球的21%。显然,这不是很理想。
一种火星上的基于蓝藻的生物性生命支持系统的艺术渲染。mage Credit: Verseux et al. 2015
  光合作用——把阳光变成糖的惊奇生化途径——也产生氧气作为副产品。而且你猜怎么着?通过比植物更高效地捕获和转换太阳能,蓝藻最终也产生更多的氧废弃物。“蓝藻是非常有效的氧气生产者,” Verseux和同事们写道,“每公顷树木每年释放约2.5~11吨氧气,而在加利福尼亚东南部露天池塘里工业培养的节旋藻物种每公顷每年释放约16.8吨氧气。”研究者们指出,在一个为温度、养分流动率、细胞密度和光照优化的反应器系统中, 氧气生产能大幅增加。
  Verseux和同事们设想收集O2并引导它进入我们的生命支持系统,同时涤去我们呼出的CO2并反馈回生物反应器。在火星上,生生不息将由流量阀驱动。
  给我们的漫游车加油
  即使你自己不想早餐、午餐和晚餐都吃细菌,你可以把它们喂给你的漫游车。记得那些蓝藻用来把空气变成肥料的固氮酶吧?当周围没有足够的氮时,这些酶会发生混淆,并抓取氢转换成氢气——也被称为火箭燃料。还不清楚蓝藻是否能够被诱导生产出有用数量的氢,但它肯定是一个值得探索的问题。
好奇号漫游车。Image Credit: NASA
  除了火箭燃料之外,蓝细菌还生产可以收集和提炼成生物燃料的多种油脂。事实上,基于藻类的生物燃料是如此高效,能源部认为,藻类可以驱动现在使用柴油的任何机器。即使我们不想直接燃烧蓝藻,我们也可以用它们作为酵母的原料,生产另一种流行的生物燃料——乙醇。无论如何,看来去水手谷和奥林匹克山的第一次远征将会以细菌为动力。
  哦,在火星上燃烧燃料最好的部分?那里冷的蛋疼,根本不用担心温室气体排放。都烧了吧。



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起落炎凉终如是  不若倚风笑斜阳

Cain 发表于 2015-9-30 13:34:14

沙发

 其他一切!

  如果我们想长期呆在火星上的话,我们的思考需要超越基本生命支持。最终,人类定居者们需要各种各样的合成材料、补给和药物。微生物会是答案吗?对地球上生物技术产业的快速一瞥表明它可能是。

  我们已经往大肠杆菌里塞进了生产从化妆品成分到抗生素和抗癌药物的一切所需基因。同样地,一些研究者们认为我们可以利用蓝藻在火星上生产各种有用的产品,包括药物、生物塑料和建材。“蓝藻从火星资源中生产有机材料的能力,加上我们在代谢工程上不断增长的能力,可以考虑从执行基本生命支持功能到生产舒适性产品的很多其它大范围应用,”Verseux和同事们写道。有研究人员们承认在这方面仍然有很多基础科学要做,但如果有一件事情是明确的,就是我们的蓝绿色微生物朋友有远远超过作为奶昔补充物的潜力。

  我们还是会带上植物们!

  我知道你现在在想什么。藻吧?一直吃到死?太空堡垒卡拉狄加上这些可怜的货们太悲催了吧?

  

电影《太阳浩劫》中的太空花园。

  是的,但是记住,这些人也在被嗜血的赛隆人赶得满银河跑。更为关键的是:从蓝藻得到大部分营养和生命支持并不意味着我们就要拉下植物。一次次地,科学已经宣告了种植绿叶植物的心理益处,就算只为这个原因,把植物带去火星也是很重要的。植物可能只会为火星生活贡献一小部分卡路里,但如果它们能防止我们勇敢的定居者们发疯,就是值得的。

  把第一只人类放上火星会是一个重要里程碑,但是维持他们存活可能是我们面临过的最大技术挑战之一。在地球上的几十亿年里,蓝藻已证明自己是资源提炼专家、地球化改造者,而且最重要的是,幸存者。也许是时候给它们一个配得上它们技能的挑战了。


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