什麼時候可以吃到火星「土特產」?

2021年07月27日11:47

  截至7月26日,“祝融號”火星車已在火星表面拍攝到了大量珍貴的火星地形地貌照片。看到“祝融”的成績,網友又激動又好奇:“祝融”,快看看火星上能不能種菜?

  火星上可以種菜嗎?現有的研究表明,普通的菜很難,但這種“菜”或許可以。

  Part.1

  過去的火星或許能種菜?

  你對火星的印像是什麼?

  紅土沙漠覆蓋,天氣乾燥寒冷,彷佛一片生命禁地?據目前的研究來看,這個印象沒錯。

  但約在40多億年前,火星確確實實是一個擁有孕育生命的適宜環境的星球。

  在那時,火星上曾經有過湖泊和河流,留下了多諸如河床、冰川遺蹟、鵝卵石等地表水的證據,最近還發現了約為108-48百萬年的沉積岩。這說明火星曾是一顆不折不扣的流水行星,這為孕育生命提供了可能。

  40億年前的火星處於“流水時代”,有濃密的大氣層和地表水。(圖片來源:NASA‘s Mars Exploration Program)

  與火星的流水時代同期,地球上的海洋中,生命誕生了。38億年前,地球正處於火山不斷噴發,空氣中充滿著高濃度二氧化碳、二氧化硫的艱難時期,與火星幾乎相同。而從那時開始,原始的生命就在熱湯般的海洋中出現了萌芽。

  藍藻便是這“一鍋熱湯”中的最早成員之一。11個類群的絲狀藍藻化石被發現於太古代早期的瓦拉沃納生物群,距今已有33-35億年,比當時已知的任何原核生物化石都要古老得多。它們開創了光合自養系統,利用陽光製造有機物,自此構成了生物鏈的基礎;它們還與綠色植物共生,形成了植物的葉綠體,讓地球上出現了千姿百態的植物,把地球變成了一顆能種菜的星球。

  既然在相似的條件下,藍藻能夠出現在地球上,那麼相似的生命是不是可以在火星起源、繁衍呢?又或者,如果將地球上的生命帶到那時的火星的話,火星會不會像現在的地球一樣生機勃勃,千菜鬥豔?畢竟接種到片麻岩中的藍藻細胞在宇宙射線中能夠存活22個月。

  但這些都只能停留於我們的好奇之中,因為火星很快發生了變化。

  Part.2

  冷卻的火星,失去了種菜的能力

  然而,火星卻因為體積過小,內部冷卻過快,並缺乏磁場(至少在35億年前可能已經消失),太陽高能質子以及銀河系和太陽的高能宇宙射線可以橫衝直撞地衝擊火星的表面和次表面,吹走火星大氣,並殺死星球上的生命。

  火星上的大氣層不斷減少,溫室效應隨之下降,流水也悉數凍結。在38-31億年前,火星上還有著厚冰覆蓋的湖泊;31-15 億年前,在多孔岩石的內部還存留著一些液態水;而從15億年開始,火星地表的液態水就全部消失了。

  從那時開始,火星上可能存在過的生命也全部休眠或在射線輻射之下被破壞,死亡和降解。

  時至今日,火星上已經完全沒有水流,成了一顆死去的星球。

  Part.3

  藍藻請求一戰!

  就現階段研究來說,火星上沒有水,而且環境惡劣,普通的菜沒法生存,但地球上有一些藻類或許可以在火星生存紮根,比如,藍藻。

  在地球上,約十億年前,藍藻開始登上陸地。它們被認為是最早移居到陸地的生物。據推測,在前寒武紀,海洋潮間帶的藍藻因潮漲、潮枯,不時暴露在海水蒸發後賸餘的高鹽度的鹽水液滴中,甚至完全裸露在空氣里,促使它演化出許多適應高滲透壓和乾燥的特徵,並獲得了向乾燥的陸地環境遷移的能力。

  我們最熟悉的陸生藍藻髮菜(髮狀念珠藻Nostoc flagelliforme),它們是荒漠環境下十分重要的植物。在過去,開採髮菜的行為造成了嚴重的生態損傷,導致大片草場退化和土地荒漠化。(圖片來源:Wiley Online Library)

  失水對於大多數生物都是致命的,但某些藍藻可以進入一種稱為“脫水休眠”的無代謝狀態來抵禦失水的影響。能夠在極端環境中生存的藍藻主要由“擬甲色球藻(Chroococcidiopsis Geitler 1933)”和一些相關的屬組成。它們生活在炎熱或寒冷的沙漠中,每年僅能濕潤幾個小時,並在大部分時間內保持乾燥或冰凍狀態,但它們仍能適應如此缺水的環境,頑強生存。

  它們適應脫水作用的第一個關鍵機製,便是產生大量富含多糖的包膜。胞外多糖可以像海綿般結合水分,穩定酶和其他分子,顯著促進藍藻的脫水耐受性。

  同時,含有多糖的包膜在吸水時構成了一層黏液,使藍藻能夠附著在岩石表面、粘結土壤形成結殼、或附著在岩石表面凹凸不平的地方,以及半透明的多孔岩石和石縫裡。在這些生境下,水分流失可能會受到土壤硬殼或表面半透明石頭的阻礙,以保持水分足夠長的時間來維持生存。

  它們通常能夠承受夏季平均57°C的高地表溫度,峰值超過60°C;擁有葉綠素-f的藍藻更可利用其它植物無法利用的近紅外光,使藍藻可以在可深達岩表下數毫米的黑暗環境中進行光合作用。

  胞外多糖的產生還可能與藍藻細胞質中積累的海藻糖起協同作用:通過代替水分子的位置,海藻糖可以阻止細胞膜失水破壞,並穩定幹燥的蛋白質,同時增大胞內液的滲透壓來抵消由冰凍和高鹽度引起的滲透壓力。這讓藍藻可以在岩石礦床中定居,利用岩石潮解:當相對濕度足夠高時,岩石晶體與吸收的大氣中水蒸汽形成飽和鹽水滴,使細胞恢復代謝活動,這對於植物來說,都是很難擁有的超能力。

  Part.4

  耐乾旱,抗輻射,種菜先鋒非你不可

  除了耐受乾燥以外,陸生藍藻同樣具有對高劑量的紫外線和電離輻射的抵抗能力,這可以部分解釋為它們的耐乾燥機製的副產物;例如,由於乾燥和輻射都會引起活性氧損傷,因此減輕乾燥損害的進化成果同時可能被用作應對輻射。

  在實驗室模擬下,乾燥的單細胞層擬甲色球藻在130kJ/m2的模擬火星紫外線通量下存活下來。這種抗性也歸因於胞外多糖的存在;除此以外,它們合成的保護性色素也提供了對紫外線含量增加的保護作用。

  同時,這些藍藻能夠形成厚壁孢子,進入休眠狀態,通過避免基因組片段化和限製活性氧的產生保持DNA完整性,並在重新濕潤時修復乾燥造成的損傷。這讓它們能夠抵抗高達15kgy的電離輻射,並有可能在火星表面承受相當於200000年的輻射環境而不失活。

  總之,藍藻能夠在接近黑暗的環境中進行光合作用,具有高度的抗脫水性和抗輻射性,對極端溫度狀況和對極高太陽輻射具有耐受性,能夠耐受乾燥、冷凍和鹽度引起的滲透威脅。

  綜合這些特點,藍藻似乎具備了在太空中生存的所有先決條件,這也讓它們有望成為未來載人火星任務里未來生命支援系統的組成部分。

  如果藍藻能在火星上生長,它們將成為開疆擴土的先鋒戰士,它們能產生氧氣,改造火星的岩石形成土壤,為種菜提供土地,最終為依靠火星資源維持生命的進程開闢道路。

  從2016年起,科學家們已經開始進行基於藍藻的生命支援系統開發工作。或許有一天,這些能夠在惡劣情況下生存的藍藻可以乘著我們的飛船飛向太空,在火星上繁衍生息,將那裡變成人類新的家園。

  參考文獻:

  [1] 尚金龍。 陸生藍藻髮菜環境適應機製研究[D]。華中師範大學,2017。

  [2] Reitner, Joachim; Thiel, Volker (2011)。 [Encyclopedia of Earth Sciences Series] Encyclopedia of Geobiology || Chroococcidiopsis。 , 10.1007/978-1-4020-9212-1(Chapter 56), 273–274。

  [3] The ecology of cyanobacteria: their diversity in time and space[M]。 Springer Science & Business Media, 2007。

  [4] Wynn-Williams, D。 David。 “Cyanobacteria in deserts—life at the limit?。” The ecology of cyanobacteria。 Springer, Dordrecht, 2000。 341-366。

  [5] Schirrmeister B E, Sanchez-Baracaldo P, Wacey D。 Cyanobacterial evolution during the Precambrian[J]。 International Journal of Astrobiology, 2016, 15(3): 187-204。

  [6] Billi D, Baqué M, Verseux C, et al。 Desert cyanobacteria: potential for space and Earth applications[M]//Adaption of microbial life to environmental extremes。 Springer, Cham, 2017: 133-146。

  [7] Shestakov S V, Karbysheva E A。 The origin and evolution of cyanobacteria[J]。 Biology Bulletin Reviews, 2017, 7(4): 259-272。

  來源:中國科普博覽

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