在太空中食物吃完了怎么辦 或許可以“吃”小行星！

出品：科普中國

作者：地星引力

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發(fā)現(xiàn)之旅，認識令人驚嘆的世界。

航天員的食物從哪來？

目前長時間的太空旅行對人類來說依然是非常困難的，除了幽閉的小空間可能會對航天員帶來心理損傷之外，航天器有限的載重如何在人員、水、空氣以及食物之間取得平衡也是一個很大的問題。

如果這些維系生命所必需的物質(zhì)完全由地球補充的話，不僅意味著巨大的成本，也意味著我們對太空的探索注定無法走遠……舉個例子，根據(jù)一項科學研究，六位航天員執(zhí)行一次火星任務，其食物需求將會重達12噸（不含包裝的凈重），而即使是運載成本較低的SpaceX，其每千克載重的成本也高達2720美元。

如果說載人探索火星還屬于我們咬咬牙就能夠到的水平，那未來要探索木星、土星這種更遙遠的行星，甚至是外太陽系，其成本將會高到完全無法承受的地步，而且補給的時效性也會非常低下。

正因如此，人們對太空食物的研究從未停下腳步，比如在目前條件下最容易實現(xiàn)的太空農(nóng)場——直接在空間站或航天器中種植植物并收獲——已經(jīng)在中國和美國的兩個空間站中進行了多次實驗，并已經(jīng)在太空中培育出了多種蔬菜，美國的航天員甚至早已在太空吃到了他們種下的生菜、胡蘿卜和辣椒等蔬菜。

中國空間站上產(chǎn)出的蔬菜

（圖片來源：CCTV）

除了蔬菜之外，人們還試圖在太空中養(yǎng)殖藻類、蘑菇以及昆蟲等。但這些養(yǎng)殖或種植設(shè)備都需要進行復雜的設(shè)計和長期維護來模擬地球生態(tài)系統(tǒng)，才能讓動植物們在設(shè)備中正常生長，而且若要做到在太空中實現(xiàn)食物自給自足，目前的設(shè)備產(chǎn)量還遠遠不夠，還需要增加設(shè)備體積和數(shù)量，但無疑這會占據(jù)大量航天器空間。

國際空間站上進行蔬菜種植的設(shè)備（Veggie）

（圖片來源：NASA）

國際空間站中種植出來的辣椒

（圖片來源：ISS Research）

為了尋找更加簡便又節(jié)省空間和成本的方法，有科學家將目光投向了小行星——從小行星開采有機物，經(jīng)過簡單處理后喂食給細菌，細菌會消化它們，并形成人類可食用的有機物。

并沒有開玩笑，小行星中也有有機物！

人類對小行星的研究已經(jīng)進行了數(shù)百年——雖然當時我們無法直接從小行星獲取樣本，但這并不妨礙它們自己過來找我們——每年都會有大量小行星的碎片墜落到地球上，我們將其稱之為隕石，根據(jù)估算，每年墜落的隕石數(shù)量高達1.7萬顆。

通過長久的研究，科學家們將隕石按照成分大類分為：石隕石，石鐵隕石，鐵隕石這三大類，并依據(jù)隕石中的具體結(jié)構(gòu)和成分，更進一步將這三大類隕石分為更多的隕石組。比如在石隕石之下又按照隕石的結(jié)構(gòu)，將其分為球粒隕石和無球粒隕石，球粒隕石指的就是隕石中存在球狀顆粒的類型。據(jù)統(tǒng)計，墜落在地球上的隕石中有86%都是球粒隕石。

Allende隕石上的球粒

（圖片來源：Wikipedia）

這些隕石中的球粒被認為在太陽系形成之初，由星云物質(zhì)直接冷卻形成的，它們形成后由小球粒結(jié)合形成小個頭的小行星，小行星們又互相碰撞生長形成如今太陽系內(nèi)的巖質(zhì)行星。而那些未能形成巖質(zhì)行星的小行星們則集中在了小行星帶。

由于墜落在地球上的球粒隕石的高比例，可以推斷在小行星帶內(nèi)的絕大部分小行星的成分也都與球粒隕石類似，而且由于球粒是太陽系內(nèi)最古老的固體物質(zhì)之一，對于研究太陽系早期的歷史具有重大意義，科學家們對球粒隕石的研究非常上心，并對它們的成分結(jié)構(gòu)進行了詳細分析。

他們將球粒隕石分為15個不同的隕石組（CI，CM，CO，CV，CK，CR，CH，CB，H，L，LL，EH，EL，R和K），其中以C開頭的被歸為碳質(zhì)球粒隕石中，在這些隕石中含有非常高濃度的有機化合物，有些隕石中有機物可能占其重量的5%左右。

其中被研究得很深的碳質(zhì)球粒隕石包括默奇森隕石（Murchison）和塔吉什湖隕石（Tagish Lake ），科學家們在它們中發(fā)現(xiàn)了包括酮、烷烴、羧酸、氨基酸、甲烷以及多環(huán)芳烴在內(nèi)的多種小分子有機物，但是其中絕大部分有機物都是大分子有機物，默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機物成分見下圖。

圖：默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機物成分（圖片來源：自制）

在發(fā)現(xiàn)這些有機物之初，自然引發(fā)了全球的歡呼，這讓人們紛紛相信在外星存在生命，甚至就連地球上的生命也都來自外星，因為當時人們認為只有生命過程才能形成有機物。但是很快，詳細的研究發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下，化學反應也能形成有機物，比如氨基酸的形成就僅需一些簡單的無機物：

由簡單無機物形成氨基酸（最右側(cè)化學式）的化學反應方程式

（圖片來源：Wikipedia）

此外，這些有機物均由自然的化學反應形成的另外的證據(jù)還包括：隕石和地球上的同種有機物在分子結(jié)構(gòu)上是存在差異的，許多都是同分異構(gòu)體（分子式相同，結(jié)構(gòu)不同）；手性不同，隕石中的有機物既有左旋，也有右旋，但地球上由生命形成的有機物都只有左旋結(jié)構(gòu)。

氨基酸的手性示意圖，它們的結(jié)構(gòu)鏡像對稱，但是無法通過平移重合到一起

（圖片來源：上，Wikipedia，下，作者）

而且隨著科技的進步，科學家們也開始在遙遠的星云中也發(fā)現(xiàn)了有機物的信號，這一切都在告訴著我們，有機物在宇宙中是廣泛存在的。時至今日，隕石中、宇宙中存在有機物這種事情已經(jīng)成為科學界的常識。

那么問題來了，怎么才能“吃掉”小行星？

由于這些隕石中含量最大的有機物都是一些類似塑料的大分子有機物，直接吃肯定是不現(xiàn)實的，因此科學家們借鑒了一個最新實現(xiàn)的塑料的微生物處理實驗。在這個實驗中，人們將塑料加熱（400-900℃）熱解，讓大分子的長鏈有機物破壞形成一系列低分子量的碳氫化合物，然后利用細菌處理這些碳氫化合物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細菌能正常消化這些碳氫化合物，并大量繁殖。

科學家們認為，未來航天員也利用熱解的方式處理開采出來的富含碳質(zhì)球粒的小行星礦物，然后利用細菌消化這些物質(zhì)，由于細菌生長極為快速，因此它們將會源源不斷為航天員提供足夠的食物。

此外，就在今年，還有科學家通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果直接將隕石打碎成粉，在缺氧條件下，假單胞菌科的一些細菌甚至能直接利用這些隕石粉末生存并長期繁殖下來。

這些實驗都證明，利用細菌“吃”小行星，人來吃細菌產(chǎn)生的生物質(zhì)，這可能是一個有前途的太空食物方案。

**為了搞清楚小行星能提供多少有機物，科學家們以小行星貝努（101955 Bennu）為例進行了計算。**小行星貝努是人類目前已經(jīng)登陸并取回樣本的兩顆小行星之一，另一顆為龍宮（162173 Ryugu），貝努的直徑小于500米，質(zhì)量為7760萬，且其成分與碳質(zhì)球粒隕石成分相似。

小行星貝努

（圖片來源：Wikipedia）

經(jīng)過計算，他們發(fā)現(xiàn)，僅小行星貝努，在最低效率的情況下產(chǎn)生的生物質(zhì)，足夠631位航天員一年的食物消耗，而在最高效率的情況下，足夠17000位航天員一年的食物消耗。

在通過換算后，科學家發(fā)現(xiàn)，在最低效率情況下，為了供應一位航天員一年的食物需求，需要處理大約16萬噸小行星礦物，在最高效率情況下，則僅需要處理5000噸小行星礦物。

通過計算得到的小行星貝努能提供的最低（橘色方框）和最高（紅色方框）食物量

（圖片來源：參考文獻1）

雖然這個研究看上去很有前途，但未來的航天員如果真的在執(zhí)行長期任務時必須以細菌為生的話，這多少慘了點吧？

未來還需更多探索

發(fā)現(xiàn)小行星作為未來航天員食物來源的潛在價值不僅是對傳統(tǒng)太空食品供應體系的一次革新，更是人類適應極端環(huán)境、實現(xiàn)星際旅行夢想的重要一步。

當然，將小行星轉(zhuǎn)化為食物來源仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)與倫理考量，讓我們以開放的心態(tài)和不懈的努力，繼續(xù)在這條充滿未知與奇跡的太空探索之路上前行?；蛟S在不遠的將來，小行星將不再僅僅是宇宙中的孤獨旅者，而是人類探索宇宙的親密伙伴。

參考文獻：

1.Pilles E, Nicklin R I, Pearce J M. How we can mine asteroids for space food[J]. International Journal of Astrobiology, 2024, 23: e16.