AsimovPress中国 2024-12-13 21:04 上海
为火星设计的“极端微生物”，会帮助地球上的生物制造。
图片来自网络。
这篇文章我们来介绍了一家想要通过工程微生物地球化改造火星（Terraforming Mars）的非营利研究组织 Pioneer Labs，他们的“跨行星文明”的愿景。有时候，人类最宏伟的梦想——比如建立火星文明、创造通用人工智能，或者解读宇宙和生命起源的奥秘，它们看似遥远——反而成了解决地球上当下最紧迫问题的意外钥匙。正如为攀登高峰的训练能让人在低海拔环境中如鱼得水，追求“看似不可能”的目标促使我们跳出理所当然，发掘出前所未有的工具、理念和方法，往往最终的影响远超其设想的范围。
以极端环境下生存的微生物研究为例，比如这些年人类对于冰封之地甚至是火山口当中微生物的发现。这些研究很多源自改造另一颗星球的野心，但却可能让地球上不堪重负的生态系统得到拯救，也极大地拓展我们对生物学的认知。这些微生物能在酸性湖泊、深海热泉或冻土中生存，那些看似离人类生活和工业系统越远的生物，反而对我们越有益。它们的“超能力”和“适应性” 或许能帮助我们开发更清洁的能源、攻克疾病，创造更稳定的生物发酵系统，甚至在气候愈发不可预测的时代开启下一次农业革命。
这就是愿景的力量，我们也需要更多积极的愿景——当我们确信看到一个美好的终点时，唯一的问题就剩下多久可以实现。周末愉快！
—— Asimov Press 中国团队
（* = 大概率是这样）
两年前，一个朋友在波士顿请我喝咖啡时说：“我觉得我们可以设计一种生物来改造火星（to terraform Mars）。”
火星地球化（Terraforming，或者叫做“行星改造“）——将一个星球改造成适合生命存在的环境——一直是科幻作家和未来学家们的永恒梦想。从阿西莫夫（Isaac Asimov）到金·斯坦利·罗宾逊（Kim Stanley Robinson），他们都设想过人类能够建立一个多行星文明（a multi-planetary civilization）。火星是实现这一目标的最佳候选者，因为我们太阳系中的其他卫星和行星环境更加恶劣。
月球没有大气层，水、碳和氮的资源微乎其微，因此除了作为前往其他目的地的中途站之外，并不适合作为改造目标。而金星上的碳（甚至是钻石）会被硫酸和高温迅速氧化为二氧化碳。土星的卫星环境相对较好——例如，土卫二上有液态水，但没有大气层，且氮元素储量有限——但它们距离太远。飞船到达火星需要大约七个月，但到达土星则需要几年的时间。
要地球化火星（terraforming Mars），首先必须克服其恶劣的低温环境。1923 年，德国物理学家赫尔曼·奥伯特（Hermann Oberth）提出了一种方案，即建造直径达数百公里的巨大太空镜（space mirrors），用来反射太阳辐射以温暖火星表面，从而让宇航员能够生存。另一种方法是输入温室气体（greenhouse gases）或气溶胶（aerosols）来捕获热量。但这需要持续不断地进行，因为温室气体会分解，气溶胶颗粒则会沉降。
现代合成生物学（modern synthetic biology）为我们提供了可能性，例如通过设计一种能够在火星表面生存的微生物，让它自行扩散并覆盖火星表面。然而，这远比想象中复杂得多。在地球上，生命可以在辐射、毒素和寒冷等极端环境中生存，但这些“极端”条件通常分散存在，并不会同时出现。而要在火星上存活，微生物需要同时适应所有这些环境压力，而目前尚无已知微生物具备这样的能力。
NASA 的“好奇号”火星车拍摄的火星沙丘合成照片。
图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS
在那次波士顿的咖啡会面之后，我和我的朋友继续设想改造火星的计划。我们研究了地球生命体已经具备的众多“极端”适应能力，并理论推测如何通过生物技术将这些能力整合起来，创造出一种能在贫瘠、干燥、有毒、并且辐射严重的环境中繁荣生长的微生物。最近，我们创立了一个名为先锋实验室（Pioneer Labs）的非营利研究机构（a research nonprofit），旨在探究生命的极限（to understand the true limits of life）。我们的目标是创造出一种可以在火星表面生长的生物体。无论我们的尝试最终是成功还是失败，都将提升绿色生物技术（green biotechnology）的经济性和能力。
但首先，我们需要澄清几点。即使我们成功创造出一种能够地球化火星的微生物，这并不意味着我们一定会将它送入太空。我们的首要任务是扩展对生物体极限的认知，而不是单方面改造一个星球，或将这种地球化微生物出售给出价最高的买家。此外，无论如何，我们并不指望能够完全成功。
火星表面比地球上几乎任何环境都要干燥。这是因为火星的低气压、极寒温度和高盐浓度。火星上的生命需要适应一些在地球上从未进化出来的特性。但是，如果我们成功了，这些微生物可能会像地球上远古时期的微生物那样改变火星：它们可以制造温室气体来暖化行星，分解土壤中的硝酸盐以增厚大气层，并释放氧气供其他生物呼吸。
这一过程将会非常缓慢，但将火星从“红色行星”转变为“绿色星球”，是让人类能够自由行走在火星表面的唯一途径。
在火星上生存，生命需要克服五大主要障碍：辐射、毒素、温度、大气和水。
辐射是天体生物学家列出的首要太空危害。往返火星的旅行中，宇航员会接触到约 0.5 希沃特的辐射（sievert of radiation），这些高速运动的粒子甚至可以穿透厚实的防护层。而暴露在 5 希沃特辐射下的人群中，有一半将会死亡。相比之下，微生物能承受人类约 1000 倍的电离辐射（ionizing radiation），这意味着在空间任务中，NASA 所担忧的电离辐射对微生物的影响几乎可以忽略不计。
但紫外线（UV）辐射却是另一个问题。由于火星几乎没有臭氧层，所以尽管距离太阳更远，其紫外线辐射量仍是地球的 1000 倍。高频 UVC 波段尤其危险，火星表面每平方米每秒会接收到 3.2 到 5.5 瓦的 UVC 辐射。对宇航员来说，一层玻璃或金属薄板就能轻松阻挡紫外线，但如果将微生物暴露在火星表面，几分钟内就会被紫外线摧毁 DNA 并破坏蛋白质功能而死亡。
芽孢杆菌孢子（Bacillus spores）被许多生物学家认为是地球上最耐严酷环境的生命形式之一。这些孢子可以在没有营养物质的极端条件下中存活数年，并能在发芽后几分钟内“复活”（return to life）。但即使是它们，在火星级别的 UVC 照射下也会在几分钟内死亡。
尽管紫外线辐射对任何潜在的地球化微生物（terraforming microbes）构成了严重威胁，地球上的某些生命形式已经进化出巧妙的机制来抵抗其破坏性影响。例如，耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）是一种核桃形的耐辐射微生物，于 20 世纪 50 年代首次被分离出来。俄勒冈州的科学家亚瑟·安德森（Arthur Anderson）在尝试用伽马射线对罐装肉类进行消毒时，发现即使在极高剂量的辐射下，这种微生物仍然存活在肉中。
后续研究发现，耐辐射奇球菌对紫外线辐射的致死剂量高达每平方米 627 焦耳。其他微生物，如一种来自智利沙漠的嗜金属球菌（Hymenobacter）和西班牙酸性火山中的硫化单胞菌（S. solfataricus），对紫外线辐射的耐受性甚至更高。
从某种程度上说，这些微生物对辐射的高耐受性令人惊讶。因为地球上没有环境可以接近火星表面的紫外线辐射水平。因此，它们为何会进化出这种极端的辐射耐受性仍然是一个谜。也许是这些生物对抗氧化剂的分子适应机制同样也适用于抵抗紫外线。
耐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，提供了高度的抗辐射能力。一些微生物会生成能吸收辐射的色素以及抗氧化剂来保护基因免受损伤，而另一些微生物会制造多个基因组副本，这样即使一个副本受损，也可以通过另一个副本轻松修复。
毒素是火星生命面临的另一个威胁。火星的土壤中含有高浓度的高氯酸盐（perchlorate），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（Massachusetts Department of Environmental Protection）的标准，高氯酸盐被视为工业废物，其浓度超过十亿分之二（2 parts per billion）时就对人类有毒。而火星土壤中的高氯酸盐浓度高到足以阻止植物生长。预计火星上的任何液态水也将是含有 15% 到 50% 高氯酸盐的饱和盐水溶液。
地球上的微生物已经进化出多种应对毒素的策略。例如，汉逊德巴利酵母（Debaryomyces hansenii）是一种常见于奶酪中的普通酵母，它能在含 30% 高氯酸盐的培养液中生长。这种酵母通过合成大量糖分来调节其内部渗透压，并通过将糖附着在蛋白质上来稳定蛋白质，使其免受高氯酸盐的损害。其他一些生物则将高氯酸盐作为能量来源，将其分解成水和氯离子，并从这个反应中获取能量。NASA 正在与加州大学伯克利分校的研究人员合作，研究如何利用这些微生物来净化火星土壤（detoxifying the Martian regolith），从而使作物可以在火星土壤中生长。
接下来是温度问题。火星距离太阳比地球远约 5000 万英里，极其寒冷。其平均表面温度约为 -60°C。虽然赤道附近的陆地温度可以达到 20°C，但极地地区的温度可能骤降至 -150°C，低到足以使二氧化碳从稀薄的空气中凝结成干冰。1983 年 7 月，南极东部的沃斯托克站（Vostok Station）记录了地球上的最低温度，为 -89.2°C。
在火星赤道附近的土地温度可达到 20°C，但两极则极其寒冷。这张图表显示了火星表面的温度，以开尔文为单位。
要让某种生命形式在火星上生存和繁衍，首先必须能够在低于水的冰点的温度下生长。在地球上，一种在北极永久冻土中发现的微生物——嗜盐动性球菌（Planococcus halocryophilus），能在营养丰富的培养基中在低至 -15°C 的温度下生长。而另一种名为嗜冷假单胞菌（Psychromonas ingrahamii）的细菌首次从冰川盐水囊（glacial brine pockets）中分离出来，可以在 -12°C 的环境下生长。在如此低的温度下，这些生物每 10 天仅分裂一次，这意味着要将 1 克细胞分裂为 3 万吨的生物量需要整整一年时间。火星赤道三分之一地区的温度与此相似，这表明地球上已经存在能够在火星大部分区域温度条件下存活的微生物。
承受火星大气压力——或者说缺乏大气压力——是另一个挑战。火星的大气层几乎完全没有氧气，密度仅为地球的 1%。它由 95% 的二氧化碳、3% 的氮气和不到 2% 的氩气组成，还有少量的一氧化碳和氢气。这种气体混合物足以杀死大多数动物，但对微生物来说是可以忍受的。许多微生物是厌氧的，它们要么不需要氧气，要么会被氧气毒害。那些能够承受高氯酸盐毒性的微生物大多也是厌氧菌，这意味着它们不生活在含氧的环境中。蓝细菌 （Cyanobacteria）在模拟的火星大气中能很好地生长，而高浓度的二氧化碳实际上还能提高它们的光合作用效率（photosynthesis rates）。
在火星“海平面”，大气压力约为地球的 155 分之一。但同样，这对微生物来说也不是问题。只要能获取代谢所需的气体，如需氧菌需要的氧气、光合细胞需要的二氧化碳，以及固氮微生物需要的氮气，细菌就能在低压环境下正常生长。
但即使某个微生物能够承受所有这些挑战——低压、严寒和有毒的土壤——水的问题仍然是最大障碍。地球上确实有一些特殊的微生物能靠凝结在盐晶体上的微量水分存活，或者进化出巧妙策略，在缺水时期保存水分。但地球上的所有生命都需要液态水才能生存。不幸的是，液态水在火星赤道附近几乎不存在，这里的温度类似于地球的条件。水以冻结状态存在于火星的两极，那里温度可低至 -100°C，或者以水合矿物（hydrated minerals）的形式被束缚着。2015 年，科学家宣布在火星上发现液态水的证据，但我们需要考虑这种水的状态：这是由极高盐浓度保持液态的冷盐水（cold brines）。
水源的缺乏及其对生命形式在火星上无法获得水，可能是火星上无法生长任何生命的根本原因。
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如果你向火星倾倒整个湖泊，其中的一部分水将在低压大气中迅速蒸发，并凝结到寒冷的两极。火星的盐碱土会吸收剩余的水分，将水分子紧紧地束缚住，使其无法蒸发。
很难夸大火星土壤的干渴程度。它含盐量高且干燥，足以将任何地球生物体中的水分吸走。整个火星基本上就像一块干燥剂，类似于牛肉干包装中那些标有“请勿食用”的白色小包。这些小包通过吸收水分来保持食物干燥以防止腐坏。食品盐腌保存是一种古老的方法，其原理与此类似，通过吸收水分使微生物无法利用，从而保存食物。
火星的宜居性受到其水的热力学可用性或“水活性”（water activity）的限制。这一科学值用介于 0 到 1 之间的数字表示，其中 1 表示纯水，0 表示没有可获取的水。任何添加到低水活性材料中的水都会被迅速吸收。水活性为 0.6 或以下的食物基本上不会受到污染，因为缺水会阻止微生物生长。例如，干果和蜂蜜的水活性约为 0.55，这意味着如果保持适当干燥，它们就不会变质。1922 年，考古学家在图坦卡蒙法老墓（King Tutankhamun）中发现了一罐仍可食用的蜂蜜。
现有生命形式的水活性下限为 0.585。这个记录由帚状青霉菌（Aspergillus penicillioides）保持，这种真菌能在灰尘和干燥的纸张上生存。目前已知的能够在水活性低于 0.7 条件下生长的微生物仅有 12 种，而且它们中的大多数都存在于像蜂蜜这样的有机环境中。
火星上所有液态水的水活性都低于 0.5。目前还没有已知的生命形式能够在这种水中存活，因为高盐浓度会迅速将细胞中的液体吸走。
2006 年， NASA 发布了一份 58 页的报告，也得出了类似的结论。报告作者写道，在经过“数年的悉心且系统的搜索”后，得出的结论是，“火星要么太冷，要么太干燥，不足以支持地球生命的繁衍。”为得出这一结论，NASA 假设生命的生存极限为温度高于 -20°C 和水活性至少为 0.5——这两个条件相对于地球上已知的生命生物物理限制来说都是宽松的。
一些微生物在极端环境中表现优异。例如，耐辐射奇球菌(Deinococcus radiodurans)（左图）能够承受极端水平的电离辐射。帚状青霉菌(Aspergillus penicillioides)（右图）是一种生活在灰尘和干燥纸张上的真菌。图片来源：太平洋西北国家实验室/保罗·坎农 (Pacific Northwest National Laboratory/Paul Cannon)。
然而，与辐射和高氯酸盐不同，地球上存在水活性低于 0.5 的环境，而这些环境中没有任何生物生长。各种干制食品就是一个例子，另一个例子是苦卤盐池（bittern salt ponds）。如果生命经过数十亿年的进化都没有找到在这种环境中生长的方法，那么水的可用性可能就是地球生命的一个“硬极限” (hard limit)。
然而，并非所有希望都破灭了。尽管一种被设计用来地球化火星的工程生物可能无法在高氯酸盐盐水或火星的低水活性环境中生长，但或许它可以创造出自己的更宜居的小环境（make its own environmental niche）。一种可能性是设计能分泌隔热材料的微生物（to engineer microbes that excrete insulating materials），这些材料可以保存热量和水分，像温室一样保护小型微生物群落免受原始火星环境的影响。在地球上，生物膜（Biofilm）已经利用糖基材料实现了这一点，但这些物质难以保持足够的热量或水分。我们必须设计能够使用纳米技术和专为火星压力与温度条件设计的材料来生产绝缘物质的微生物。
另一种灵感来源于地衣（Lichens）。它是真菌和藻类的共生体，能够在极端条件下存活，甚至能从空气中吸收水分。曾有科学家将一种南极地衣送到国际空间站外侧，并让它在暴露于严酷的真空和未遮蔽的太阳紫外线环境中存活 18 个月，但大部分都存活了下来。
研究人员随后对这种南极地衣进行了研究，以了解它是否能在火星上生存。地衣已知能通过干燥细胞来度过干旱期，并在水重新出现时重新吸收水分。尽管这种共生体在火星的压力和温度下仍能进行光合作用——利用阳光、水和二氧化碳制造糖分——但地衣并没有生长。
或许可以通过基因工程，让地衣从空气中提取更多水分。火星的夜间的湿度惊人地高，但由于火星上总压力低，其 100% 的湿度与地球上 10% 的湿度相似——约等于莫哈韦沙漠中死亡谷 (Death Valley in the Mojave Desert ) 夏日的湿度。
归根结底，缺乏可生物利用的水是火星生命面临的最大科学障碍，至少在没有人为干预的情况下。与那些能够在极端辐射、毒素、低温和低压下生存的生物不同，地球上的生命还没有进化出任何已知的适应机制来解决水的问题。
虽然生命已经能够在许多与火星环境类似的个别极端条件中生存，但目前还没有已知生物能在这些挑战叠加形成的多重极端环境 (polyextreme environment)中繁衍。通过结合地球上各种生物的极端适应性特征 (combining extremophilic traits)，我们可以更好地了解生物如何应对和适应这些压力，以及如何在现代火星上生存。
在先锋实验室（Pioneer Labs, pioneer-labs.org），我们的目标是探索生命的真正极限，而不局限于地球上现存的环境。我们计划创造一种"多重极端"微生物（“polyextreme” microbe），为其赋予那些已经进化出高度抗紫外线辐射、耐极端温度等特性的微生物的基因和代谢通路。然后，我们会将这些细胞置于模拟的火星环境中 (simulated Martian environments)，并通过进化加速其对恶劣条件的适应。我们不确定在这项工作的最后会发现什么。例如，嗜金属球菌 (Hymenobacter) 或耐辐射奇球菌 (D. radioduans) 的抗辐射性可能是最适合火星的，但更有可能的是两者的结合体。
这一方法的目标是基于地球现有的生物适应性，创造出最接近火星环境的微生物（most Mars-like microbe）。但即便完成了基因工程设计，这种最终的微生物仍然不太可能在当今的火星上生长。即便如此，我们仍将探测这些工程细胞的极限，以预测需要进行多少“非生物性地球化改造”（abiotic terraforming）后，这种生物才能被放置到火星上完成任务。例如，我们需要多少太空镜或温室气体，才能让火星具备生命的基本条件。一旦知道确切的资源需求，我们就可以开始制定详细计划，真正地球化改造火星。
即使我们在科学研究目标上取得成功，用生物方法改造火星可能还面临着严重的法律挑战。NASA 的政策明确禁止在外太空释放微生物，以防止地球微生物在我们研究火星生命形式之前破坏任何可能存在的火星生命。此外，《外层空间条约》（Outer Space Treaty）——所有具备太空探索能力的国家都签署了这一条约——包含一条关于“有害污染”的条款。该条款旨在防止放射性废料在太空中扩散，但有人可能会认为，将经过基因工程设计的生物体释放到行星表面并扩散，也属于“有害污染”。
将火星改造成类似地球的状态可能会导致火星原生生命（如果存在的话）灭绝，因为我们设计的生物体会入侵并改变它们的栖息地。迄今为止，我们已经投入数十亿美元试图寻找火星生命，其中包括用于着陆器和探测器的 170 亿美元。然而，要证明某种事物不存在是极其困难的；火星上可能存在生命。地球化火星是一个不可逆转的决定，应该由国家间而非个人来决定。
即使事实证明任何生物都无法在火星上生长，工程生物学（engineered biology）在支持人类发展星际文明方面仍至关重要。先锋实验室（Pioneer Labs）开发的多重极端生命将降低制造治疗药物、食品、结构材料和维持人类所需的化学原料的投资成本，这些资源对人类维持生命至关重要。这一成果同样将惠及地球，因为目前生物制造的大部分成本来自于满足脆弱生物体的需求，这些生物需要稳定的 pH 值、温度和通气条件，并且只能在无菌和纯净的原料上生长。
换句话说，先锋实验室 (Pioneer Labs) 正在为人类改造火星的漫长探索中进行一次登月级的尝试。即使最终失败，我们的家园——地球——也会因这一努力而变得更加美好。
注释：
1. 微生物还进化出了其他防止 DNA 损伤的方法。一些生物加快蛋白质“周转”速度以最小化损伤或吸收金属进入细胞以稳定蛋白质。其他生物则进化出了复杂的策略，在 DNA 序列受损后很快进行修复。
2. 我们的微生物工程工作包括生物防护（biocontainment）计划。我们已经制定了分层灭菌策略，并且会避免使用任何致病性物质。我们也不认为工程极端微生物（engineered extremophiles）在野外的生态位之外会比天然极端微生物具有更大的竞争优势。
3. 这个领域被称为原位资源利用（in situ resource utilization）。NASA 已经制定计划，在火星上使用当地资源将大气中的二氧化碳转化为塑料和燃料，可能会使用最少屏蔽且易于建造的“温室”。
封面图片来源：Asimov Press 官网
引用：Devon Stork. “Why Nothing Can Grow on Mars.” Asimov Press (2024).
DOI: https://doi.org/10.62211/43pf-11td
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