星際農(nóng)業(yè)：探索在火星上種植作物的可能性

曾經(jīng)，火星表面有水流淌。海浪拍打著岸邊，海風呼嘯，大雨從厚厚的云層中傾瀉而下。除一個關(guān)鍵區(qū)別外，它與40億年前的地球非常相似——火星的體積?；鹦堑闹睆街挥械厍虻囊话?，而正是這個差異導(dǎo)致了一系列問題。

火星的核心冷卻得很快，導(dǎo)致其失去了磁場保護。沒有了磁場，火星的大氣層被太陽風吹走。失去了保護層，火星也無法抵擋太陽的紫外線，保住熱量。海洋逐漸蒸發(fā)，剩下的水分被地表下層吸收，只在兩極留下了一些冰凍的水。持續(xù)的輻射加上全球性的塵暴引發(fā)的靜電反應(yīng)，使得火星的土壤發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)，最終讓它富含一種叫做高氯酸鹽的有毒物質(zhì)。如果火星上曾經(jīng)長出過一片草地，那已經(jīng)是很久以前的事了。

但這些日子能否重新開始？要在火星上種植作物、為未來的宇航員提供食物，究竟需要什么？在科幻小說里，這似乎不是什么大問題。2015年電影《火星救援》中的馬特·達蒙，只需要建一個溫室，把人類的排泄物鋪在土壤上，加點水，等著作物長出來。電影在某些方面是對的——人類體內(nèi)的細菌確實會起作用——但它忽視了高氯酸鹽的問題。實際上，那些土豆根本無法生長，即便它們僥幸長出來了，吃上兩年受高氯酸鹽污染的土豆也足以讓他的甲狀腺失靈、腎臟受損、細胞受傷——盡管他可能不會立即察覺，因為高氯酸鹽還具有神經(jīng)毒性。這原本可以成為馬特·達蒙最經(jīng)典的“死亡場景”。

在安迪·威爾寫作這部小說時，人們對火星上高氯酸鹽的分布和豐度了解得并不多。雖然美國國家航空航天局的鳳凰號探測器早在2008年就發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽，但后續(xù)的探測器任務(wù)和歷史數(shù)據(jù)的積累才證實，這種化學(xué)物質(zhì)不但遍布火星，而且數(shù)量驚人。整體來看，火星表面的高氯酸鹽含量約為0.5%（按重量計）。相比之下，地球上的濃度通常只是火星的百萬分之一。

這對美國國家航空航天局說是一個巨大的難題。阿耳忒彌斯計劃的最終目標是讓宇航員登上火星。在過去10年里，美國國家航空航天局一直在推動一個長期計劃，旨在實現(xiàn)人類在火星上建立“地球獨立”的居住地。更加雄心勃勃的是，雖然聽起來不太現(xiàn)實，但SpaceX的首席執(zhí)行官馬斯克曾表示，他希望未來20年內(nèi)能有一百萬人在火星上定居。

任何關(guān)于火星獨立生存的設(shè)想，都意味著必須解決高氯酸鹽問題，因為人類必須要吃東西。補給任務(wù)本質(zhì)上依賴地球，而水培技術(shù)不足以養(yǎng)活大規(guī)模的人群。

“我們可以用水培系統(tǒng)輕松養(yǎng)活10～20個人，但規(guī)模再擴大就很困難了?！泵绹鴾厮诡D-塞勒姆大學(xué)的植物壓力生理學(xué)副教授拉斐爾·洛雷羅說。水培系統(tǒng)必須在地球上建造，而且需要能耗高的泵和持續(xù)監(jiān)控以防止細菌和真菌感染?！耙坏┫到y(tǒng)被感染，你的整個作物就全毀了，因為它是一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，”他說，“你不得不丟掉一切并重新開始。”

洛雷羅認為，唯一可行的未來之路就是耕作火星的土地：“高氯酸鹽問題是我們最終必須解決的難題?！?/p>

火星上并沒有土壤，只有覆蓋在星球表面的有毒塵土層——也就是由松散的巖石、沙子和塵土組成的表層。在地球上，這些塵土混合著數(shù)十億年來分解的有機生物質(zhì)，形成了土壤，但在火星上，這些有機物根本不存在。要在火星上種植食物，我們不能僅僅把種子撒在地上然后加點水。我們需要創(chuàng)造出一層能夠維持生命的土壤。而要做到這一點，首先必須清除那些有毒的高氯酸鹽。

清除高氯酸鹽的方法有不止一種。你可以通過燃燒來分解高氯酸鹽，它們在約400攝氏度時會分解，但為此你可能需要核反應(yīng)堆等能源以及大量輔助設(shè)備。你也可以用水來沖洗高氯酸鹽，但洛雷羅解釋說：“你需要的水量非常巨大，而水在火星上是極為有限的資源?！边@種方法同樣需要大量能量投入，從長遠來看這不可行。理想的解決方案并不依賴于重型機械，而是依賴于一些微小的東西——事實上，微小到肉眼看不見。

美國國家航空航天局和美國國家科學(xué)基金會正在資助研究，探索未來的火星宇航員如何利用微生物不僅能從火星土壤中去除高氯酸鹽，還能將火星的塵土層改造成適合耕種的土壤。這項工作基于多年來在地球上不同地區(qū)進行的類似研究，如果成功，不僅能改善火星上的農(nóng)業(yè)，還能為地球和火星的農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來雙重收益。

“如果我們能夠在火星的塵土層中成功種植植物，那么我們就能在地球上的任何地方做到這一點?！?/p>

把火星農(nóng)業(yè)視作遙遠的未來科幻問題似乎很容易，但科學(xué)家們必須在火箭發(fā)射之前解決這些問題，而不是等到人類已經(jīng)踏上征途之后。正如美國國家航空航天局的許多研究一樣，解決“太空上的”問題，往往對“地球上的”生活也有直接的影響。簡而言之，我們從火星學(xué)到的東西，可能幫助我們在地球上把不毛之地變成富饒的農(nóng)業(yè)區(qū)。在地球上，高氯酸鹽的自然濃度在沙漠地區(qū)最高，而在其他地區(qū)，高濃度的高氯酸鹽通常源于工業(yè)廢料。這些毒素對地球上的植物的危害和對未來火星作物的威脅一樣嚴重。這意味著，不僅僅是美國國家航空航天局對治理高氯酸鹽感興趣，美國農(nóng)業(yè)部也在資助這類研究。

“如果我能夠在一個完全陌生的環(huán)境中種植植物，那么我開發(fā)的技術(shù)就可以百分之百地應(yīng)用于地球上那些面臨糧食短缺的地區(qū)。可以應(yīng)用于極度干旱、無法進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地方，也可以應(yīng)用于被采礦公司污染了土壤的地區(qū)?！甭謇琢_說，“如果我們能夠在火星的塵土層中種植植物，那么我們就能在地球上的任何地方做到這一點?！?/p>

思維轉(zhuǎn)向微觀

美國亞利桑那大學(xué)生物設(shè)計研究所的科學(xué)實驗室看起來像是美國每個生物課堂的放大版：長長的黑色實驗臺、各種顯微鏡和試管架。然而，當你仔細觀察時，會發(fā)現(xiàn)這里的顯微鏡更為高級，還有氣相色譜儀和有機碳分析儀等高科技儀器。

地球的土壤濕潤而富有生命力，因板塊運動、微生物活動和巖石循環(huán)的影響，其礦物成分非常多樣化。但只要看看火星，你就能感受到其中的巨大差異：這個小行星球的核心在大部分鐵沉降到中心之前就冷卻了。因此，火星的塵土層富含富鐵礦物，并隨著時間的推移發(fā)生氧化，火星的表面實際上已經(jīng)銹蝕。沒有水的參與，火星主要通過風和溫度引發(fā)的機械風化發(fā)生變化；沒有生命，它的土壤完全是無機物質(zhì)。

盡管如此，亞利桑那大學(xué)微生物學(xué)家安卡·德爾加多和她的同事們已經(jīng)找到了一條可能的解決方案，可以解決高氯酸鹽問題并使火星的塵土層變得可耕種。

高氯酸鹽是一類由帶負電的氯和氧離子與帶正電的離子（如鈉）結(jié)合形成的鹽類。（還有一種叫做高氯酸的物質(zhì)，包含相同的帶負電離子。）在地球上，高氯酸鹽的豐富程度通常與人類活動有關(guān)。事實上，美國在第二次世界大戰(zhàn)時期對含氯化合物的狂熱不僅限于高氯酸鹽，還廣泛使用有機氯溶劑，從干洗、金屬脫脂到衣物染料和醫(yī)藥領(lǐng)域都有涉及。

整個工業(yè)界曾經(jīng)對廢棄物的管理采取了“自由放任”的態(tài)度，導(dǎo)致了美國全國范圍內(nèi)地下水的污染。德爾加多說：“在《清潔水法案》以及1970年代的相關(guān)立法禁止使用某些化學(xué)物質(zhì)之后，我們才發(fā)現(xiàn)污染的嚴重性。”一些水污染是顯而易見的，比如俄亥俄州的凱霍加河曾經(jīng)經(jīng)常自燃起火。但其他污染則隱藏得很深。紐約州尼亞加拉瀑布市的LoveCanal社區(qū)居民曾報告該地區(qū)白血病標志物和出生缺陷的比例異常高，而直到后來人們才意識到，1940年代被倒入一條運河的兩萬噸化學(xué)物質(zhì)可能是罪魁禍首。

然而，僅停止將有毒化學(xué)物質(zhì)倒入水道和垃圾填埋場并不夠?？茖W(xué)家們還必須找到替代方案——比如迪士尼在2004年開發(fā)了一種消除了高氯酸鹽排放的煙花發(fā)射器——同時，他們還需要找到清理現(xiàn)有污染的方法。對于高氯酸鹽，可以通過化學(xué)手段清除。雨水和人工灌溉可以將這些化合物沖走，但這只會把問題轉(zhuǎn)移到地下水中。另一種方法是種植像柳樹和胡楊這樣的木本植物，它們能從土壤中吸收高氯酸鹽，隨后可以通過收割這些植物將其從污染循環(huán)中移除。

此外，還有一種生物解決方案是利用微生物將有毒化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。這一概念的典型代表是一種叫做D.mccartyi的細菌，它以有機氯溶劑為食，并排出脫氯乙烯（這是一種無毒的簡單碳氫化合物）和無害的氯離子，這些離子在自然環(huán)境中本就存在。德爾加多在博士期間曾研究這種細菌，當時她的興趣完全是針對地球環(huán)境的。然而，盡管這種方法非常有效，但并非完美。它在自然環(huán)境中發(fā)揮作用的速度極慢。

“我們當時處理污染的時間跨度是幾個月到幾十年?！钡聽柤佣嗾f。她的研究試圖以更高密度培養(yǎng)D.mccartyi，以提高處理速度，加快美國廢棄污染場地的治理速度。她的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于亞利桑那州、新澤西州和加利福尼亞州的多個現(xiàn)場。

德爾加多的實驗室采用了開放式布局。她說，自2004年生物設(shè)計研究所成立以來，理念一直是將通常不會互動的研究人員聚集在同一個物理空間內(nèi)。因此，研究廢水、污泥和土壤的微生物學(xué)家們與研究DNA折紙技術(shù)的科學(xué)家們相鄰而居。

從清理地球的有毒廢棄物到讓火星表面適合耕作的研究突破始于2017年，就在德爾加多開始她新工作的前一個月。她當時讀了一篇關(guān)于火星的文章，隨意查閱了迄今為止在火星上檢測到的化學(xué)元素。“我喜歡微生物，我想看看火星是否能滿足它們的營養(yǎng)需求?！彼f，“我有點科幻迷的傾向?！?/p>

在參加一場大學(xué)組織的研究員討論會時，她決定大膽提出自己的想法：“我對研究微生物能否在火星條件下生長很感興趣。”

她讀到的一篇《自然》雜志的文章最終激發(fā)了她的行動力。植物生長所需的土壤有機質(zhì)，通常是由分解的植物和動物材料構(gòu)成的。這似乎意味著火星農(nóng)業(yè)無法實現(xiàn)。然而，研究人員首次證明，僅靠微生物就可以形成土壤有機質(zhì)——無需依賴腐爛的植物。微生物自身以及它們的組織和分泌物，能夠合成土壤。

德爾加多意識到，高氯酸鹽可以作為初始催化劑，成為微生物繁衍并分解的養(yǎng)分來源。最終，這一過程能夠使火星的塵土層變得適合耕種。

為此，她向美國國家科學(xué)基金會申請了“新興前沿研究與創(chuàng)新”項目的資助，以探索這個想法。美國國家航空航天局看到了她提案的潛力，并共同資助了該項目。2022年，該項目獲得了總計190萬美元的資金，計劃作為一個多年、多機構(gòu)的合作項目開展，德爾加多擔任首席研究員。該項目計劃由亞利桑那大學(xué)作為主導(dǎo)機構(gòu)，研究如何利用微生物降低火星土壤中高氯酸鹽的濃度。亞利桑那大學(xué)將研究這些微生物在分解高氯酸鹽過程中形成的土壤有機質(zhì)；佛羅里達理工學(xué)院則負責研究如何在處理后的土壤中種植作物。

測試火星土壤

研究火星塵土層的一個難題在于，地球上根本沒有這種真實的土壤。美國國家航空航天局過去50年的火星探索計劃一直致力于研究這顆紅色星球是否適合生命。多年來，美國國家航空航天局一直希望能夠?qū)⒒鹦堑脑纪寥罉颖編Щ氐厍虻臒o菌室進行分析。然而，到目前為止，美國國家航空航天局還沒有制定出一個可信的任務(wù)來實現(xiàn)這一目標。2024年4月，美國國家航空航天局局長比爾·尼爾森基本上承認了這一點，并向外部研究機構(gòu)和私營企業(yè)征求如何以負擔得起的方式實現(xiàn)火星樣本返回的提案。

與此同時，科學(xué)家們只能用模擬的火星土壤來研究減少高氯酸鹽濃度的方法，諸如加熱、輻射和微生物方法等。

在亞利桑那州立大學(xué)的德爾加多實驗室中，研究設(shè)備包括一個孵化器和一個定制的厭氧室，里面配備了共聚焦顯微鏡，用于分析對氧氣敏感的微生物。在一個擺滿了各種大小密封玻璃器皿、注射器、移液管和其他設(shè)備的研究工作站，德爾加多介紹了她的兩位博士生：環(huán)境工程專業(yè)的阿爾巴·梅迪納和生物設(shè)計專業(yè)的布萊恩娜·派茲，她們都是該項目的主要研究人員。

桌上的密封瓶里裝著顏色各異的溶液，從褐色到黑色不等。在較為透明的溶液中，瓶底有一層紅色物質(zhì)，看起來和火星上的土壤顏色十分相似?！斑@些叫做微宇宙瓶?！钡聽柤佣嘟忉尩溃盀榱吮３只瘜W(xué)成分和組成的完整性，任何需要加入或取出的物質(zhì)都要通過針頭和注射器操作?！?/p>

這些瓶子中裝有營養(yǎng)物質(zhì)、水（生命必需的要素）和模擬的火星土壤。由于沒有火星塵土層可用，德爾加多使用了一種名為“MGS-1”（火星全球模擬物）的替代物，這種模擬土壤在化學(xué)成分、礦物組成、比例和物理特性上都盡量與火星探測車“好奇號”所測得的土壤規(guī)格相匹配。這個模擬物是由星際資源技術(shù)公司制造的，任何人都可以在線購買。

“這是能買到的最貴的‘土’了?！钡聽柤佣嗾f。這種模擬土壤感覺像那種你只會在昂貴海灘上發(fā)現(xiàn)的沙子，顆粒非常細膩，看起來像可可粉。

研究人員需要向微宇宙瓶中添加的唯一東西是高氯酸鹽，這是一種白色粉末。有了這些，他們就可以將火星“裝入”瓶中了。

這些微宇宙瓶中有脫氯單胞菌屬的微生物，而另一些瓶子里是純培養(yǎng)的反硝化富鹽菌——一種在咸性環(huán)境中茁壯生長的細菌。團隊還在嘗試使用各種混合微生物群落，每種群落與不同的元素和化合物相互作用，在各自的微宇宙中產(chǎn)生不同的化學(xué)組成。因此，有些瓶子的顏色像巧克力，而另一些則像花生醬。

“它們最初都是一樣的顏色?！泵返霞{說，“比如，這個瓶子變黑是硫酸鹽還原微生物活動的視覺證據(jù)?！?/p>

細菌會選擇它們喜歡的物質(zhì)消化，忽略它們不喜歡的。德爾加多的團隊正在尋找理想的微生物組合，既能有效消除高氯酸鹽，又能高效運行。高氯酸鹽其實也提供了機會。當?shù)聽柤佣嗟奈⑸锓纸膺@些化合物時，會生成氯化物和氧氣。

“宇航員可以利用它們在火星上生產(chǎn)氧氣?！钡聽柤佣嗾f，“這可能是火星上氧氣的一個重要來源。我們正在考慮如何捕獲這些氧氣?！?/p>

微生物培養(yǎng)不需要大量帶上火星，因為微生物繁殖速度極快。科學(xué)家只需帶不到一克的材料——甚至連一個回形針的重量都不到——在火星上就可以無限繁殖。一些滴在試管中的微生物，理論上可以產(chǎn)生整個果園的作物。

而最理想的微生物運輸系統(tǒng)就是宇航員本身。我們的身體里已經(jīng)含有能消化高氯酸鹽的微生物，它們存在于我們的腸道微生物群中。德爾加多的團隊使用的是從污水處理廠獲得的污泥中的微生物群來研究高氯酸鹽。因此，馬特·達蒙在電影《火星救援》中扮演的角色在某種程度上確實是對的。

但即使擁有能夠分解高氯酸鹽的微生物，它們是否能有效工作還是一個問題?！斑@些微生物群落確實包含高氯酸鹽還原菌，但它們也伴隨著‘朋友’和‘敵人’一同存在。”德爾加多解釋道。我們的微生物群中有成千上萬種細菌，它們在爭奪養(yǎng)分時相互競爭，導(dǎo)致效率低下。關(guān)鍵在于找到方法幫助那些消耗有害物質(zhì)的微生物，同時減少那些干擾微生物的數(shù)量。

目前，德爾加多的實驗室正在小批量處理塵土層。成功的高氯酸鹽還原處理可以將其濃度從約5克每公斤（原來的0.5%）降到5～20微克每公斤，甚至更低?，F(xiàn)有文獻表明，這個濃度范圍不會抑制種子發(fā)芽。相比之下，亞利桑那州沙漠中的土壤高氯酸鹽背景濃度為0.3～5微克每公斤，而在阿塔卡馬沙漠中，這一數(shù)值可高達2500微克每公斤。

然而，光去除高氯酸鹽并不足以讓火星上的植物茁壯成長。佛羅里達理工學(xué)院的生物學(xué)副教授、德爾加多項目的合作研究員安德魯·帕爾默說：“清除高氯酸鹽后，問題仍然是如何將火星塵土層轉(zhuǎn)化為土壤?！?/p>

帕爾默解釋說，無論有沒有高氯酸鹽，塵土層本質(zhì)上都是一種惰性基質(zhì)。嚴格來說，土壤是經(jīng)過生物作用并能夠反作用于生物的基質(zhì)。而在模擬火星塵土中——或許未來在實際的火星塵土中，負責消除高氯酸鹽的微生物活動也可能會轉(zhuǎn)化礦物質(zhì)，釋放出對植物有益的養(yǎng)分，比如鉀和磷。找到最好的方法實現(xiàn)這一點，是德爾加多團隊在研究不同微生物菌株和污泥時的目標之一。

帕爾默說：“通過生物過程去除高氯酸鹽，不僅應(yīng)該消除它們，還應(yīng)該幫助我們向土壤中引入其他養(yǎng)分。我們正在嘗試把生態(tài)循環(huán)引入塵土層?！?/p>

早期的結(jié)果非常有希望，但這是一項需要多年努力的工作。研究人員已經(jīng)成功減少了塵土層樣本中的高氯酸鹽含量，增加了樣本中的有機物濃度，改變了塵土層的結(jié)構(gòu)，并且成功在其中種植植物。他們的目標是將這些步驟整合在一起?！罢麄€資助項目、所有參與者的工作，都是為了把含有高氯酸鹽的塵土層轉(zhuǎn)化為適合植物生長的土壤?！迸翣柲f，“這很有潛力?！?/p>

如果一切順利，模擬塵土層中的總有機碳濃度應(yīng)該比最初高出2～5倍，這是微生物生成的有機殘留物的結(jié)果。最終，隨著有機碳改變了塵土層的物理特性，模擬土壤的持水能力也會得到改善，使原本像黏土一樣的塵土層變得更松散，更有利于植物及其根系生長。

一旦這些模擬的火星塵土準備就緒，科學(xué)家們對其效果滿意，這些材料就會被送往帕爾默位于佛羅里達的實驗室，看看哪些植物能夠生長。

西紅柿和藜麥

帕爾默承認，七年前當美國國家航空航天局的代表第一次接觸他時，他對在火星上種植植物的問題并不特別感興趣。那時候他覺得這個工作有點無聊：“植物能在泥土里長——簡直像11點的新聞那樣稀松平常?！彼_玩笑說。

然而，隨著他們的討論深入，美國國家航空航天局的科學(xué)家們解釋了使用火星模擬物以及解決高氯酸鹽問題的挑戰(zhàn)，帕爾默的好奇心被激發(fā)了。我們究竟要如何在火星上提供充足的食物呢？于是，他和佛羅里達理工學(xué)院化學(xué)生態(tài)與天體生物學(xué)實驗室的研究人員開始在月球和火星的塵土模擬物中種植植物、真菌和細菌，探索如何將塵土層改造成適合植物生長的土壤。

除了孵化器，帕爾默和他的團隊還使用一個他們稱為“紅屋”的房間，這是一種半控制環(huán)境。

“這是一個巨大的房間，里面全是人工照明和環(huán)境控制，我們在里面種植的植物從未見過自然光，這正是我們認為地外生長環(huán)境的模擬情況?！彼f?；鹦侨狈τ幸饬x的大氣層，溫度比地球南極還要寒冷，因此任何在火星上種植的作物都需要在封閉的、控制良好的環(huán)境中在人工光照下生長。

帕爾默和他的團隊在火星模擬土壤中多次種植和再種植植物，以了解塵土層在作物生長過程中隨時間推移的變化。目前，他們“定期”在商業(yè)化的火星模擬土壤中種植羅馬生菜、甜椒、西紅柿和三葉草。這個學(xué)期，他們還開始嘗試種植花生和藜麥。

由于項目仍處于早期階段，他們目前尚無關(guān)于從亞利桑那州獲得的初步材料的研究結(jié)果。目前，他們正在進行發(fā)芽實驗。

“我們?nèi)栽谠噲D理解這種模擬土壤的物理行為，因為當你加入水時，它可能會結(jié)塊——變得非常堅固和密實，這會抑制植物根系的生長。這是一個非常棘手的問題?！迸翣柲f。

他們發(fā)現(xiàn)的其中一個現(xiàn)象是，隨著時間的推移，植物在火星模擬土壤中生長會使其質(zhì)地變得更“松軟”。帕爾默計劃使用電子顯微鏡來研究德爾加多實驗室的樣本?！皦m土層的顆粒實際上非常鋒利?！迸翣柲f，這一現(xiàn)象適用于火星和月球的塵土層?！敖?jīng)過一段時間的植物生長后，通常細菌會使這些顆粒變得更加圓滑?！边@是因為微生物在塵土層中的生長通常會導(dǎo)致生物膜和其他有機化合物的沉積，同時也會腐蝕或侵蝕顆粒表面。這些變化都有利于植物的生長。

帕爾默認為，食物安全是火星任務(wù)的重中之重，迄今為止的研究讓他感到樂觀。

“火星距離地球6～9個月的旅程。如果你失去了食物來源，可能無法撐到下一次補給任務(wù)的到來?！彼f。解決方案在于多樣性。應(yīng)該儲備冷凍食物，一些作物可以通過水培種植，另一些則可以在塵土層中種植。如果某一系統(tǒng)失敗，你還可以依靠其他系統(tǒng)重新啟動。這不僅是一個好的安全策略，更重要的是，如果我們真心想把火星變成家園，我們必須利用那些使我們獨特的技能。農(nóng)業(yè)無疑是其中最重要的一項。

帕爾默說：“耕作土地有一種與人類息息相關(guān)的感覺。這意味著你已經(jīng)掌控了那片土地。你只有在掌握了土壤之后，才真正掌握了那片地方?！?/p>