如果去火星種菜，它可能是先行者！

出品：科普中國
制作：古明地戀
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

截至7月8日，“祝融號”火星車已在火星表面工作了54個火星日，行駛里程超過300米,并拍攝到了大量珍貴的火星地形地貌照片?？吹健白Ｈ凇钡某煽儯W(wǎng)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(xiàn)有的研究表明，普通的菜很難，但這種“菜”或許可以。

過去的火星或許能種菜？

你對火星的印象是什么？

紅土沙漠覆蓋，天氣干燥寒冷，彷佛一片生命禁地？據(jù)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(shí)實(shí)是一個擁有孕育生命的適宜環(huán)境的星球。

火星上河流的遺跡：被流水沖刷磨圓的卵石。

(圖片來源：ZME Science)

在那時，火星上曾經(jīng)有過湖泊和河流，留下了多諸如河床、冰川遺跡、鵝卵石等地表水的證據(jù)，最近還發(fā)現(xiàn)了約為108-48百萬年的沉積巖。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。

顯微鏡下的藍(lán)藻，人們印象中的大多數(shù)藍(lán)藻都生活在水中。

（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，地球正處于火山不斷噴發(fā)，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(xiàn)了萌芽。藍(lán)藻便是這“一鍋熱湯”中的最早成員之一。11個類群的絲狀藍(lán)藻化石被發(fā)現(xiàn)于太古代早期的瓦拉沃納生物群，距今已有33-35億年，比當(dāng)時已知的任何原核生物化石都要古老得多。它們開創(chuàng)了光合自養(yǎng)系統(tǒng)，利用陽光制造有機(jī)物，自此構(gòu)成了生物鏈的基礎(chǔ)；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(xiàn)了千姿百態(tài)的植物，把地球變成了一顆能種菜的星球。

顯微鏡下的藍(lán)藻，人們印象中的大多數(shù)藍(lán)藻都生活在水中。

(圖片來源：Niwot Ridge LTER)

既然在相似的條件下，藍(lán)藻能夠出現(xiàn)在地球上，那么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(xiàn)在的地球一樣生機(jī)勃勃，千菜斗艷？畢竟接種到片麻巖中的藍(lán)藻細(xì)胞在宇宙射線中能夠存活22個月。

但這些都只能停留于我們的好奇之中，因?yàn)榛鹦呛芸彀l(fā)生了變化。

冷卻的火星，失去了種菜的能力

然而，火星卻因?yàn)轶w積過小，內(nèi)部冷卻過快，并缺乏磁場（至少在35億年前可能已經(jīng)消失），太陽高能質(zhì)子以及銀河系和太陽的高能宇宙射線可以橫沖直撞地沖擊火星的表面和次表面，吹走火星大氣，并殺死星球上的生命。

火星上的大氣層不斷減少，溫室效應(yīng)隨之下降，流水也悉數(shù)凍結(jié)。在38-31億年前，火星上還有著厚冰覆蓋的湖泊；31-15 億年前，在多孔巖石的內(nèi)部還存留著一些液態(tài)水；而從15億年開始，火星地表的液態(tài)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(jīng)完全沒有水流，成了一顆死去的星球。

藍(lán)藻請求一戰(zhàn)！

就現(xiàn)階段研究來說，火星上沒有水，而且環(huán)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扎根，比如，藍(lán)藻。

在地球上，約十億年前，藍(lán)藻開始登上陸地。它們被認(rèn)為是最早移居到陸地的生物。據(jù)推測，在前寒武紀(jì)，海洋潮間帶的藍(lán)藻因潮漲、潮枯，不時暴露在海水蒸發(fā)后剩余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(yīng)高滲透壓和干燥的特征，并獲得了向干燥的陸地環(huán)境遷移的能力。

我們最熟悉的陸生藍(lán)藻發(fā)菜（發(fā)狀念珠藻Nostoc flagelliforme），它們是荒漠環(huán)境下十分重要的植物。在過去，開采發(fā)菜的行為造成了嚴(yán)重的生態(tài)損傷，導(dǎo)致大片草場退化和土地荒漠化。

(圖片來源：Wiley Online Library)

失水對于大多數(shù)生物都是致命的,但某些藍(lán)藻可以進(jìn)入一種稱為“脫水休眠”的無代謝狀態(tài)來抵御失水的影響。能夠在極端環(huán)境中生存的藍(lán)藻主要由“擬甲色球藻(Chroococcidiopsis Geitler 1933)”和一些相關(guān)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，并在大部分時間內(nèi)保持干燥或冰凍狀態(tài)，但它們?nèi)阅苓m應(yīng)如此缺水的環(huán)境，頑強(qiáng)生存。

貼附在陸地巖石上的擬甲色球藻。

（圖片來源：ResearchGate)

它們適應(yīng)脫水作用的第一個關(guān)鍵機(jī)制，便是產(chǎn)生大量富含多糖的包膜。胞外多糖可以像海綿般結(jié)合水分，穩(wěn)定酶和其他分子，顯著促進(jìn)藍(lán)藻的脫水耐受性。

藝術(shù)家對火星地球化的構(gòu)想，藍(lán)藻或?qū)歉脑旎鹦堑南蠕h。

(圖片來源：ResearchGate)

同時，含有多糖的包膜在吸水時構(gòu)成了一層黏液，使藍(lán)藻能夠附著在巖石表面、粘結(jié)土壤形成結(jié)殼、或附著在巖石表面凹凸不平的地方，以及半透明的多孔巖石和石縫里。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(lán)藻更可利用其它植物無法利用的近紅外光，使藍(lán)藻可以在可深達(dá)巖表下數(shù)毫米的黑暗環(huán)境中進(jìn)行光合作用。

生活在多孔或半透明巖石內(nèi)部的藍(lán)藻（綠色部分），可以在極端環(huán)境下存活。

(圖片來源：參考文獻(xiàn)[2])

胞外多糖的產(chǎn)生還可能與藍(lán)藻細(xì)胞質(zhì)中積累的海藻糖起協(xié)同作用：通過代替水分子的位置，海藻糖可以阻止細(xì)胞膜失水破壞，并穩(wěn)定干燥的蛋白質(zhì)，同時增大胞內(nèi)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(lán)藻可以在巖石礦床中定居，利用巖石潮解：當(dāng)相對濕度足夠高時，巖石晶體與吸收的大氣中水蒸汽形成飽和鹽水滴，使細(xì)胞恢復(fù)代謝活動，這對于植物來說，都是很難擁有的超能力。

陸生藍(lán)藻形成的植物結(jié)皮（i、j），改造了沙漠的環(huán)境。

(圖片來源：ScienceDirect.com)

耐干旱，抗輻射，種菜先鋒非你不可

除了耐受干燥以外，陸生藍(lán)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干燥機(jī)制的副產(chǎn)物；例如，由于干燥和輻射都會引起活性氧損傷，因此減輕干燥損害的進(jìn)化成果同時可能被用作應(yīng)對輻射。

在實(shí)驗(yàn)室模擬下，干燥的單細(xì)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。這種抗性也歸因于胞外多糖的存在；除此以外，它們合成的保護(hù)性色素也提供了對紫外線含量增加的保護(hù)作用。

同時，這些藍(lán)藻能夠形成厚壁孢子，進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過避免基因組片段化和限制活性氧的產(chǎn)生保持DNA完整性，并在重新濕潤時修復(fù)干燥造成的損傷。這讓它們能夠抵抗高達(dá)15kgy的電離輻射，并有可能在火星表面承受相當(dāng)于200000年的輻射環(huán)境而不失活。

藍(lán)藻通過各種途徑，如合成保護(hù)蛋白和色素、修復(fù)DNA損傷等應(yīng)對輻射。

(圖片來源：ResearchGate）

總之，藍(lán)藻能夠在接近黑暗的環(huán)境中進(jìn)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，能夠耐受干燥、冷凍和鹽度引起的滲透威脅。

綜合這些特點(diǎn)，藍(lán)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(wù)里未來生命支持系統(tǒng)的組成部分。

如果藍(lán)藻能在火星上生長，它們將成為開疆?dāng)U土的先鋒戰(zhàn)士，它們能產(chǎn)生氧氣，改造火星的巖石形成土壤，為種菜提供土地，最終為依靠火星資源維持生命的進(jìn)程開辟道路。

藝術(shù)家對火星地球化的構(gòu)想，藍(lán)藻或?qū)歉脑旎鹦堑南蠕h。

（圖片來源：Wikipedia）

從2016年起，科學(xué)家們已經(jīng)開始進(jìn)行基于藍(lán)藻的生命支持系統(tǒng)開發(fā)工作?；蛟S有一天，這些能夠在惡劣情況下生存的藍(lán)藻可以乘著我們的飛船飛向太空，在火星上繁衍生息，將那里變成人類新的家園。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尚金龍. 陸生藍(lán)藻發(fā)菜環(huán)境適應(yīng)機(jī)制研究[D].華中師范大學(xué),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.