移民火星得靠它

as center

“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛，所以游目騁懷，足以極視聽之娛，信可樂也?！比祟悓τ谔沼兄鵁o限的好奇心。閃爍的星辰上是否也有生命？人類能否在新的星球上生活？隨著好奇，我們開啟了探索新生存空間的時(shí)代。

“熒惑”不惑

火星是運(yùn)行軌道離地球最近的行星，其表面鮮紅如螢火，讓人捉摸不透，因此，在中國古代被稱為“熒惑”。在西方，這顆神秘的星球也因其表面的紅色，被冠以戰(zhàn)神馬爾斯（Mars）之名。

直到19世紀(jì)末，望遠(yuǎn)鏡首次觀測到了火星表面，人們才發(fā)現(xiàn)，這顆星球看似熱鬧的紅色表面只是氧化鐵構(gòu)成的塵埃，而在這層鮮紅之下是荒蕪一片。低溫、低氣壓、高輻射、高二氧化碳的環(huán)境下，沒有發(fā)現(xiàn)生命存在的跡象。

隨著人類火星探測的逐步深入，我們發(fā)現(xiàn)這顆星球是太陽系中與地球最相似的行星：有著晝夜和四季；有類似地球的固態(tài)巖石表面；有較厚的大氣層；有過水，也可能有過生命；有著如同地球早期的沉寂寒冷的形態(tài)，未來也可能孕育出生命。

現(xiàn)如今，神秘的“熒惑”已不再讓人困惑，并成為人類星際移民的首選目標(biāo)。

火星探索

在開啟火星移民之旅前，我們需要更好地了解火星的可居住性。

歐洲空間局（ESA）開發(fā)了名為Expose 的天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，安裝在國際空間站外，用于研究生物化學(xué)樣品在模擬的火星環(huán)境下能否生存。

在前期的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，暴露在模擬火星環(huán)境下的微生物極少可以存活。為了進(jìn)一步研究微生物在什么情況下能夠在火星上維持生命力，Expose 在2014年的第三次任務(wù)中進(jìn)行了生物學(xué)和火星實(shí)驗(yàn)，以測量生物膜在火星條件下的穩(wěn)定性。

46種微生物被放置在Expose 平臺上，經(jīng)歷了18個(gè)月的模擬火星環(huán)境生存后，運(yùn)返至地球進(jìn)行分析。在這次實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)微生物群落都被火星環(huán)境破壞，但其中一種能夠生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的木醋桿菌，存活了下來。研究人員發(fā)現(xiàn)，它之所以能夠在火星環(huán)境下維持生命力，完全歸功于一個(gè)好幫手——細(xì)菌纖維素。

細(xì)菌纖維素的火星之旅

在Expose 實(shí)驗(yàn)中，研究人員將干燥的細(xì)菌纖維素送到國際空間站，在那里經(jīng)受18個(gè)月模擬火星環(huán)境的測試后運(yùn)回地球，和留在地球上的同批干燥纖維素同時(shí)用制作康普茶的方式進(jìn)行再次培養(yǎng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一直在地球上的干燥纖維素被激活后，7天長出了新的纖維素；火星旅行回來的干燥纖維素，在60天后也長出了新的纖維素。

在進(jìn)行基因組比對后發(fā)現(xiàn)：雖然干燥纖維素中的微生物群落受到了火星環(huán)境的破壞，但進(jìn)行纖維素生產(chǎn)的木醋桿菌在太空旅行回來后依然存活，即使在火星的環(huán)境下也仍舊具有合成纖維素的能力。

纖維素是細(xì)菌的航天服

細(xì)菌纖維素由以醋酸桿菌科為代表的細(xì)菌發(fā)酵代謝生成，是一種不溶于水的胞外多糖，由獨(dú)特的細(xì)密三維纖維網(wǎng)構(gòu)成，是細(xì)菌自我保護(hù)的產(chǎn)物。被送上太空的細(xì)菌纖維素是木醋桿菌（屬醋酸桿菌科）在康普茶發(fā)酵過程中產(chǎn)生的纖維素薄膜。

研究結(jié)果表明，這層細(xì)菌纖維素膜可能是細(xì)菌在太空旅行后仍然有生產(chǎn)能力的原因，木醋桿菌給自己織了一件抵御地外環(huán)境的“航天服”。

為什么這層既有平面結(jié)構(gòu)又有疏水結(jié)構(gòu)的纖維素，可以成為細(xì)菌的外部物理屏障？細(xì)菌纖維素能夠優(yōu)化細(xì)菌內(nèi)的氧氣濃度，促進(jìn)有氧固氮；保護(hù)細(xì)菌本身免受環(huán)境壓力，如紫外線輻射；可以產(chǎn)生耐受酸性條件、代謝乙醇和有機(jī)酸的能力；還可以通過抑制污染物的代謝物擴(kuò)散，使細(xì)菌內(nèi)部免受其他微生物的入侵，以保護(hù)細(xì)菌，支持細(xì)菌內(nèi)部穩(wěn)定運(yùn)作。

這層木醋桿菌給自己編織的“航天服”讓它在18個(gè)月的太空旅行后，仍然能夠生長出新的細(xì)菌纖維素。

火星移民的重要一員

細(xì)菌纖維素對太空環(huán)境強(qiáng)大的耐受性，展現(xiàn)出未來助力人類進(jìn)行太空探索的可能性。我們已經(jīng)開始對細(xì)菌纖維素在太空中的應(yīng)用場景有了暢想。

1. 生物廢棄物管理：在外星建立居住區(qū)時(shí)，需要處理大量廢棄物。細(xì)菌纖維素由純纖維素構(gòu)成，是一種完全可降解的材料。在太空中使用細(xì)菌纖維素制造包裝、衣物等生活用品，可以減少太空中的垃圾堆積，提供可持續(xù)的太空生活。

細(xì)菌纖維素培養(yǎng)過程中的副產(chǎn)品也可以加以利用。例如，制造衣服的纖維素皮層殘留物可作動物飼料，酸味康普茶飲料可轉(zhuǎn)化為醋、香膏、消毒劑。

2. 植物生長基質(zhì)：細(xì)菌纖維素作為發(fā)酵產(chǎn)物，還可以用作植物生長基質(zhì)的一部分。細(xì)菌纖維素可以與其他材料混合使用，例如火山巖、矽土和其他可用的地球材料，可以制造出一種類似于土壤的生長基質(zhì)，提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)和水分，促進(jìn)植物生長。

3.太空服材料：航天服是保護(hù)航天員在太空行走時(shí)免受極端條件影響的重要設(shè)備。細(xì)菌纖維素可以用作航天服的一部分，例如襯里或面料。

細(xì)菌纖維素的高抗張和抗輻射能力，可以為航天員提供額外的保護(hù)。纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為服裝可以吸收氣味，還可以緊湊折疊、減小體積，同時(shí)易于清洗。與生物的高相容性，也讓細(xì)菌纖維素與人體皮膚直接接觸時(shí)不會產(chǎn)生過敏反應(yīng)，它的高持水性還能緩解太空環(huán)境造成的皮膚干燥。

相較于目前的金屬材料航天服，將細(xì)菌纖維素與其他材料進(jìn)行復(fù)合制成的航天服，處理和回收更方便也更環(huán)保。

4. 建筑材料：細(xì)菌纖維素還能與其他材料混合，制成一種結(jié)實(shí)、耐用、有隔熱性的建筑材料，例如磚、板材和絕緣材料，可以在火星上使用。

5. 太空藥品的制備和包裝：在太空環(huán)境中，藥品可能受到輻射、高溫、低溫和高真空等極端條件的影響，需要一種有較高穩(wěn)定性的包裝材料來保護(hù)藥品的質(zhì)量和功效。

細(xì)菌纖維素具有高強(qiáng)度、低毒性等特點(diǎn)，能夠有效保護(hù)藥品，延長藥品的保質(zhì)期。未來，細(xì)菌纖維素還可以用于制備藥品的載體或緩釋劑，通過改變結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)來控制藥品的釋放速度和作用時(shí)間，提高治療效果的同時(shí)，還能用于研究太空醫(yī)學(xué)中的抗生素耐藥性。

6. 太空運(yùn)輸中的包裝材料：在太空環(huán)境中，傳統(tǒng)的塑料包裝會因?yàn)檩椛涞纫蛩厥В?xì)菌纖維素對太空環(huán)境的耐受性可以避免這種問題。

細(xì)菌纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)帶來良好的氣體滲透性和透明度，可以用于制作高透明度和高透氣性的太空包裝材料，以及太空運(yùn)輸中的食品和水處理。細(xì)菌纖維素的超強(qiáng)吸水能力，可以用于太空中的水分處理和回收。

7. 太空電池：細(xì)菌纖維素具有良好的導(dǎo)電性和光學(xué)性能，可以用于太空電池和光伏電池等能源存儲器件的制作。

在過去的一個(gè)世紀(jì)里，我們逐漸了解火星這顆遙遠(yuǎn)的鄰星。在不遠(yuǎn)的未來，人類在這顆紅色星球上是否會有新的生活？細(xì)菌纖維素正在幫助我們搭建一條走向火星的軌道。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號“as 科學(xué)藝術(shù)研究中心”