星际农业：探索在火星上种植作物的可能性
曾经，火星表面有水流淌。海浪拍打着岸边，海风呼啸，大雨从厚厚的云层中倾泻而下。除一个关键区别外，它与40亿年前的地球非常相似——火星的体积。火星的直径只有地球的一半，而正是这个差异导致了一系列问题。
火星的核心冷却得很快，导致其失去了磁场保护。没有了磁场，火星的大气层被太阳风吹走。失去了保护层，火星也无法抵挡太阳的紫外线，保住热量。海洋逐渐蒸发，剩下的水分被地表下层吸收，只在两极留下了一些冰冻的水。持续的辐射加上全球性的尘暴引发的静电反应，使得火星的土壤发生了一系列化学反应，最终让它富含一种叫做高氯酸盐的有毒物质。如果火星上曾经长出过一片草地，那已经是很久以前的事了。
但这些日子能否重新开始？要在火星上种植作物、为未来的宇航员提供食物，究竟需要什么？在科幻小说里，这似乎不是什么大问题。2015年电影《火星救援》中的马特·达蒙，只需要建一个温室，把人类的排泄物铺在土壤上，加点水，等着作物长出来。电影在某些方面是对的——人类体内的细菌确实会起作用——但它忽视了高氯酸盐的问题。实际上，那些土豆根本无法生长，即便它们侥幸长出来了，吃上两年受高氯酸盐污染的土豆也足以让他的甲状腺失灵、肾脏受损、细胞受伤——尽管他可能不会立即察觉，因为高氯酸盐还具有神经毒性。这原本可以成为马特·达蒙最经典的“死亡场景”。
在安迪·威尔写作这部小说时，人们对火星上高氯酸盐的分布和丰度了解得并不多。虽然美国国家航空航天局的凤凰号探测器早在2008年就发现了高氯酸盐，但后续的探测器任务和历史数据的积累才证实，这种化学物质不但遍布火星，而且数量惊人。整体来看，火星表面的高氯酸盐含量约为0.5%（按重量计）。相比之下，地球上的浓度通常只是火星的百万分之一。
这对美国国家航空航天局说是一个巨大的难题。阿耳忒弥斯计划的最终目标是让宇航员登上火星。在过去10年里，美国国家航空航天局一直在推动一个长期计划，旨在实现人类在火星上建立“地球独立”的居住地。更加雄心勃勃的是，虽然听起来不太现实，但SpaceX的首席执行官马斯克曾表示，他希望未来20年内能有一百万人在火星上定居。
任何关于火星独立生存的设想，都意味着必须解决高氯酸盐问题，因为人类必须要吃东西。补给任务本质上依赖地球，而水培技术不足以养活大规模的人群。
“我们可以用水培系统轻松养活10～20个人，但规模再扩大就很困难了。”美国温斯顿-塞勒姆大学的植物压力生理学副教授拉斐尔·洛雷罗说。水培系统必须在地球上建造，而且需要能耗高的泵和持续监控以防止细菌和真菌感染。“一旦系统被感染，你的整个作物就全毁了，因为它是一个封闭的循环系统，”他说，“你不得不丢掉一切并重新开始。”
洛雷罗认为，唯一可行的未来之路就是耕作火星的土地：“高氯酸盐问题是我们最终必须解决的难题。”
火星上并没有土壤，只有覆盖在星球表面的有毒尘土层——也就是由松散的岩石、沙子和尘土组成的表层。在地球上，这些尘土混合着数十亿年来分解的有机生物质，形成了土壤，但在火星上，这些有机物根本不存在。要在火星上种植食物，我们不能仅仅把种子撒在地上然后加点水。我们需要创造出一层能够维持生命的土壤。而要做到这一点，首先必须清除那些有毒的高氯酸盐。
清除高氯酸盐的方法有不止一种。你可以通过燃烧来分解高氯酸盐，它们在约400摄氏度时会分解，但为此你可能需要核反应堆等能源以及大量辅助设备。你也可以用水来冲洗高氯酸盐，但洛雷罗解释说：“你需要的水量非常巨大，而水在火星上是极为有限的资源。”这种方法同样需要大量能量投入，从长远来看这不可行。理想的解决方案并不依赖于重型机械，而是依赖于一些微小的东西——事实上，微小到肉眼看不见。
美国国家航空航天局和美国国家科学基金会正在资助研究，探索未来的火星宇航员如何利用微生物不仅能从火星土壤中去除高氯酸盐，还能将火星的尘土层改造成适合耕种的土壤。这项工作基于多年来在地球上不同地区进行的类似研究，如果成功，不仅能改善火星上的农业，还能为地球和火星的农业发展带来双重收益。
“如果我们能够在火星的尘土层中成功种植植物，那么我们就能在地球上的任何地方做到这一点。”
把火星农业视作遥远的未来科幻问题似乎很容易，但科学家们必须在火箭发射之前解决这些问题，而不是等到人类已经踏上征途之后。正如美国国家航空航天局的许多研究一样，解决“太空上的”问题，往往对“地球上的”生活也有直接的影响。简而言之，我们从火星学到的东西，可能帮助我们在地球上把不毛之地变成富饶的农业区。在地球上，高氯酸盐的自然浓度在沙漠地区最高，而在其他地区，高浓度的高氯酸盐通常源于工业废料。这些毒素对地球上的植物的危害和对未来火星作物的威胁一样严重。这意味着，不仅仅是美国国家航空航天局对治理高氯酸盐感兴趣，美国农业部也在资助这类研究。
“如果我能够在一个完全陌生的环境中种植植物，那么我开发的技术就可以百分之百地应用于地球上那些面临粮食短缺的地区。可以应用于极度干旱、无法进行农业生产的地方，也可以应用于被采矿公司污染了土壤的地区。”洛雷罗说，“如果我们能够在火星的尘土层中种植植物，那么我们就能在地球上的任何地方做到这一点。”
思维转向微观
美国亚利桑那大学生物设计研究所的科学实验室看起来像是美国每个生物课堂的放大版：长长的黑色实验台、各种显微镜和试管架。然而，当你仔细观察时，会发现这里的显微镜更为高级，还有气相色谱仪和有机碳分析仪等高科技仪器。
地球的土壤湿润而富有生命力，因板块运动、微生物活动和岩石循环的影响，其矿物成分非常多样化。但只要看看火星，你就能感受到其中的巨大差异：这个小行星球的核心在大部分铁沉降到中心之前就冷却了。因此，火星的尘土层富含富铁矿物，并随着时间的推移发生氧化，火星的表面实际上已经锈蚀。没有水的参与，火星主要通过风和温度引发的机械风化发生变化；没有生命，它的土壤完全是无机物质。
尽管如此，亚利桑那大学微生物学家安卡·德尔加多和她的同事们已经找到了一条可能的解决方案，可以解决高氯酸盐问题并使火星的尘土层变得可耕种。
高氯酸盐是一类由带负电的氯和氧离子与带正电的离子（如钠）结合形成的盐类。（还有一种叫做高氯酸的物质，包含相同的带负电离子。）在地球上，高氯酸盐的丰富程度通常与人类活动有关。事实上，美国在第二次世界大战时期对含氯化合物的狂热不仅限于高氯酸盐，还广泛使用有机氯溶剂，从干洗、金属脱脂到衣物染料和医药领域都有涉及。
整个工业界曾经对废弃物的管理采取了“自由放任”的态度，导致了美国全国范围内地下水的污染。德尔加多说：“在《清洁水法案》以及1970年代的相关立法禁止使用某些化学物质之后，我们才发现污染的严重性。”一些水污染是显而易见的，比如俄亥俄州的凯霍加河曾经经常自燃起火。但其他污染则隐藏得很深。纽约州尼亚加拉瀑布市的LoveCanal社区居民曾报告该地区白血病标志物和出生缺陷的比例异常高，而直到后来人们才意识到，1940年代被倒入一条运河的两万吨化学物质可能是罪魁祸首。
然而，仅停止将有毒化学物质倒入水道和垃圾填埋场并不够。科学家们还必须找到替代方案——比如迪士尼在2004年开发了一种消除了高氯酸盐排放的烟花发射器——同时，他们还需要找到清理现有污染的方法。对于高氯酸盐，可以通过化学手段清除。雨水和人工灌溉可以将这些化合物冲走，但这只会把问题转移到地下水中。另一种方法是种植像柳树和胡杨这样的木本植物，它们能从土壤中吸收高氯酸盐，随后可以通过收割这些植物将其从污染循环中移除。
此外，还有一种生物解决方案是利用微生物将有毒化学物质转化为无害物质。这一概念的典型代表是一种叫做D.mccartyi的细菌，它以有机氯溶剂为食，并排出脱氯乙烯（这是一种无毒的简单碳氢化合物）和无害的氯离子，这些离子在自然环境中本就存在。德尔加多在博士期间曾研究这种细菌，当时她的兴趣完全是针对地球环境的。然而，尽管这种方法非常有效，但并非完美。它在自然环境中发挥作用的速度极慢。
“我们当时处理污染的时间跨度是几个月到几十年。”德尔加多说。她的研究试图以更高密度培养D.mccartyi，以提高处理速度，加快美国废弃污染场地的治理速度。她的研究成果已经应用于亚利桑那州、新泽西州和加利福尼亚州的多个现场。
德尔加多的实验室采用了开放式布局。她说，自2004年生物设计研究所成立以来，理念一直是将通常不会互动的研究人员聚集在同一个物理空间内。因此，研究废水、污泥和土壤的微生物学家们与研究DNA折纸技术的科学家们相邻而居。
从清理地球的有毒废弃物到让火星表面适合耕作的研究突破始于2017年，就在德尔加多开始她新工作的前一个月。她当时读了一篇关于火星的文章，随意查阅了迄今为止在火星上检测到的化学元素。“我喜欢微生物，我想看看火星是否能满足它们的营养需求。”她说，“我有点科幻迷的倾向。”
在参加一场大学组织的研究员讨论会时，她决定大胆提出自己的想法：“我对研究微生物能否在火星条件下生长很感兴趣。”
她读到的一篇《自然》杂志的文章最终激发了她的行动力。植物生长所需的土壤有机质，通常是由分解的植物和动物材料构成的。这似乎意味着火星农业无法实现。然而，研究人员首次证明，仅靠微生物就可以形成土壤有机质——无需依赖腐烂的植物。微生物自身以及它们的组织和分泌物，能够合成土壤。
德尔加多意识到，高氯酸盐可以作为初始催化剂，成为微生物繁衍并分解的养分来源。最终，这一过程能够使火星的尘土层变得适合耕种。
为此，她向美国国家科学基金会申请了“新兴前沿研究与创新”项目的资助，以探索这个想法。美国国家航空航天局看到了她提案的潜力，并共同资助了该项目。2022年，该项目获得了总计190万美元的资金，计划作为一个多年、多机构的合作项目开展，德尔加多担任首席研究员。该项目计划由亚利桑那大学作为主导机构，研究如何利用微生物降低火星土壤中高氯酸盐的浓度。亚利桑那大学将研究这些微生物在分解高氯酸盐过程中形成的土壤有机质；佛罗里达理工学院则负责研究如何在处理后的土壤中种植作物。
测试火星土壤
研究火星尘土层的一个难题在于，地球上根本没有这种真实的土壤。美国国家航空航天局过去50年的火星探索计划一直致力于研究这颗红色星球是否适合生命。多年来，美国国家航空航天局一直希望能够将火星的原始土壤样本带回地球的无菌室进行分析。然而，到目前为止，美国国家航空航天局还没有制定出一个可信的任务来实现这一目标。2024年4月，美国国家航空航天局局长比尔·尼尔森基本上承认了这一点，并向外部研究机构和私营企业征求如何以负担得起的方式实现火星样本返回的提案。
与此同时，科学家们只能用模拟的火星土壤来研究减少高氯酸盐浓度的方法，诸如加热、辐射和微生物方法等。
在亚利桑那州立大学的德尔加多实验室中，研究设备包括一个孵化器和一个定制的厌氧室，里面配备了共聚焦显微镜，用于分析对氧气敏感的微生物。在一个摆满了各种大小密封玻璃器皿、注射器、移液管和其他设备的研究工作站，德尔加多介绍了她的两位博士生：环境工程专业的阿尔巴·梅迪纳和生物设计专业的布莱恩娜·派兹，她们都是该项目的主要研究人员。