在火星上建一座化工廠

李慶林

在太陽系內(nèi)，和地球最為相似的行星就是火星，所以火星也成為人類移民外太空的首選。

如果人類鐵了心要到火星上住，肯定不會(huì)像一日游那么簡(jiǎn)單，要長(zhǎng)期生存在那片荒蕪之地，肯定要將那里改造成適合人類居住的宜居行星。仔細(xì)想來，這可是一個(gè)無比浩大的工程，堪比創(chuàng)世造物，憑借人類現(xiàn)有的科技，能在近未來完成這一壯舉嗎？

建一座火星化工廠

現(xiàn)實(shí)生活中，我們的衣食住行離不開各種各樣的化學(xué)品，移民火星后同樣如此。如何把這些化學(xué)品搬到火星呢？從地球上運(yùn)過去，時(shí)效太低、成本太高，不如直接在火星上建立一座化工廠，源源不斷生產(chǎn)各類必需品，這才是一勞永逸的辦法。

塑料、藥品、燃料等生活必需品，是由石油、煤炭等原材料通過繁多工藝流程輔以物理和化學(xué)手段加工而成，所以要在火星建化工廠，首先得在火星上挖到礦物等資源！

化石資源是由古代江河湖海中的動(dòng)物和微生物遺體，在地層中經(jīng)過漫長(zhǎng)演化而成。那么問題來了，根據(jù)目前科考結(jié)論，無證據(jù)表明火星上曾有過植物、動(dòng)物等生命形式存在，所以火星上似乎并不會(huì)誕生出化石資源，這個(gè)礦也不知從何挖起。

難道在火星建化工廠的宏偉計(jì)劃就這樣擱淺了嗎？其實(shí)不然，因?yàn)槿剂喜⒎侵荒芡ㄟ^挖掘化石資源獲得。

科學(xué)界普遍認(rèn)為火星星體表面有土壤，表層下有冰，并且存在稀薄的大氣層。1969年，伯克利大學(xué)的皮門特爾教授更是通過紅外探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)火星大氣中含有96%的二氧化碳（CO2）和4%的氮?dú)猓∟2）。如果我們真的要在火星上建設(shè)化工廠，可以通過CO2制備高分子材料、燃料、藥品等生活必需的化學(xué)品。

人工光合作用制造液態(tài)陽光

想要把CO2轉(zhuǎn)化為各類化學(xué)制品，離不開光合作用。2003年，美國(guó)能源部在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了“太陽神計(jì)劃”，旨在向大自然學(xué)習(xí)，構(gòu)造光合作用系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體和催化劑轉(zhuǎn)化CO2。2015年，來自伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的楊培東院士團(tuán)隊(duì)，利用半導(dǎo)體和微生物成功將這一設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。

之后，楊培東院士團(tuán)隊(duì)推出了該系統(tǒng)更為優(yōu)秀的“2.0 版本”，即利用硅納米線捕獲太陽光子，產(chǎn)生光生電子，并將其提供給附著的微生物。微生物吸收二氧化碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，即可產(chǎn)出乙酸鹽，且該系統(tǒng)吸收太陽能轉(zhuǎn)化效率連續(xù)一周高達(dá)3.6%。

這一人工光合作用系統(tǒng)模仿了植物光合作用的原理，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。植物的光合作用是利用吸收的太陽光，將大氣中的CO2和水轉(zhuǎn)化為糖類等有機(jī)物，供植物進(jìn)行各種代謝活動(dòng)，我們使用的煤、石油和天然氣等也是來自于原始植物的能量積累。

人工光合作用系統(tǒng)主要由兩部分組成——半導(dǎo)體，微生物工程細(xì)菌。

半導(dǎo)體負(fù)責(zé)吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為電能；具有特定功能的微生物工程細(xì)菌負(fù)責(zé)利用電能將吸收的CO2合成為特定的有機(jī)物，也就是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。目前，人工光合作用對(duì)太陽能的利用效率可以達(dá)到8%-10%，效率是植物光合作用的20倍。

這種效率極高的人工光合作用系統(tǒng)，究竟是怎么運(yùn)作的呢？

潘多拉寶盒

舉個(gè)例子，如果我們要利用人工光合作用系統(tǒng)生產(chǎn)有機(jī)化學(xué)品醋酸（乙酸），將有如下操作：

在人工光合作用系統(tǒng)中，研究者選擇厭氧的熱醋穆爾氏菌作主角，并開發(fā)出金納米簇?zé)o機(jī)材料進(jìn)行光的吸收。由于代謝過程主要在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，為了避免氧化還原中間產(chǎn)物在跨膜運(yùn)輸中消耗能量過多，研究者通過半胱氨酸對(duì)金納米簇進(jìn)行修飾，并將其注入到熱醋穆爾氏菌細(xì)胞質(zhì)中。

高度生物兼容性的金納米簇在熱醋穆爾氏菌體內(nèi)能夠長(zhǎng)期友好相處，不僅不會(huì)降低其活性，反而還大幅提高了光的量子利用效率。

將被注入金納米簇的工程菌置于特定的培養(yǎng)液中，保持純CO2的無氧氣氛，并給予一定強(qiáng)度的光照?？梢姽庵械墓庾油ㄟ^照射進(jìn)入熱醋穆爾氏菌細(xì)胞質(zhì)中的金納米簇將其激發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)電子（e-）和一個(gè)空穴（h+），為了防止產(chǎn)生的電子和空穴再次結(jié)合，金納米簇外包裹的半胱氨酸（Cys）將被空穴氧化生成胱氨酸（CySS），在這個(gè)過程中成功消耗掉金納米簇中的空穴。而被激發(fā)產(chǎn)生的電子和吸收的CO2在一類酶中間體中相遇，將成功合成醋酸分子產(chǎn)物，并釋放到培養(yǎng)液中收集利用。

有了醋酸作為原材料，我們可以生產(chǎn)丁醇，丁醇可在液體管道中實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)輸，所以被稱為未來可以替代石油的新型燃料；此外，利用醋酸，我們還可以通過聚合反應(yīng)合成高分子材料，以及青蒿素等藥物中間體。

這些都將是人類未來在火星上生存下來所必不可少的化學(xué)品。此外，火星上的氣體中含有4%的氮?dú)猓裟芾萌斯す夂献饔孟到y(tǒng)將氮?dú)夂铣砂被臀?，即可為移民者提供足夠的肥料種植各類農(nóng)作物，不必像《火星救援》的男主角那樣窘迫。

只要在火星上成功打開人工光合作用這一潘多拉寶盒，將有越來越多化學(xué)必需品被源源不斷生產(chǎn)出來，充分滿足人類的生存需求，助力移民先驅(qū)們開疆拓土，創(chuàng)造一個(gè)全新的人類宜居世界！