濫觞：科學大院

　　大約在46億年前，地球降生。顛末漫長的進化，今朝地球上的人類正面對史無前例的危機：資源枯竭、天氣轉變、情況污染、生態破壞……不但如斯，宇宙射線爆發、小行星撞擊等威脅，足以撲滅地球上大多半生命。

　　如果真的要分開地球，我們能去哪裡呢？

　　今朝，以SpaceX開創人Elon Musk為代表的有識之士把目光投向地球的鄰人火星。火星作為太陽系內除地球以外最適合棲身的行星，天然是移民的首要斟酌對象。Elon Musk致力於讓人類成為跨行星物種，讓人類文明在地球以外獲得「備份」。圖1中展示的就是 Elon Musk構思的火星城市藍圖。

　　下面，我們將開啟這份星球備份設計，看看火星將被若何拓荒建設的吧~

　　火星上目前有什麼？

　　今朝的火星基本上是一個嚴寒的紅色荒涼。自20世紀60年代以來，人類向火星發射了跨越40枚空間探測器，進行了具體的科學探測。火星輪廓溫度-140 ℃到 30℃，平均-60 ℃。火星大氣成分為95%的二氧化碳，3%的氮氣，1.6%氬氣，0.13% 氧氣和0.03% 水蒸氣等，常有沙塵暴發生。火星大氣層極度淡薄，僅相當於地球大氣層的0.7%，加上沒有完全的磁場，火星只能抵抗部分的太陽輻射和宇宙射線。火星皮相沒有不變的液態水，只有間歇活動的液態鹽水，但風化層中含有厚實的水份；在火星兩極存在大量的水冰，在火星冰蓋之下還發現一個直徑20公里的冰下湖。火星風化層含有豐富的二氧化矽、三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鎂以及氧化鈣等礦物資。

　　即便手藝的進步可使人類在將來幾十年內達到火星，斟酌到從地球到火星極其昂貴的運送費用，建立人類假寓點所需的物質將只有極少部分能從地球運送，而絕大部門要經由過程當場取材來解決。除火星自帶buff，運送什麼去火星性價比最高呢？

　　火星開荒，藍細菌「請戰」

　　生物系統能夠有用地操縱各種自然資源，可是大大都植物和微生物沒法直接使用火星現有的資源，從地球運送物質來保持它們的發展代謝將極大地限製成本效益和可延續性。

　　藍細菌又名藍藻，是地球進化過程當中較早呈現的光能自養微生物，在35億年前地球從無氧改變為有氧環境的過程當中闡揚了主要的感化。據估算藍細菌貢獻了地球上氧氣年產量的30% 。藍細菌不僅能進行光合作用，還具有固氮和氫代謝等功能，這意味著藍細菌是少數幾種可以進行多路子轉換太陽能的生物，並可以或許全面參與碳、氫、氧、氮四大元素輪回，在物資輪回和能量代謝中飾演側重要的角色。藍細菌具有極強的環境適應能力，在包羅極地、鹽湖、荒涼等極端前提下廣泛存在。在火星上藍細菌能取得發展所需的陽光、水和二氧化碳，火星風化層中含有藍細菌發展所需的各類營養元素。藍細菌可以直接用於氧氣、食品，燃料、藥品和材料的生產。

　　綜上所述，藍細菌可以作為「火星拓荒者」充分操縱火星資本從而為火星移民曆程開闢道路，使火星成為人類未來的第二個家園。

　　氧氣

　　氧氣對人類糊口生涯是必不成少的，斷氧後人只能存活2到3分鐘。今朝在各類航天器中首要是經由過程電解水來實現供氧。由於火星的大氣層很是稀薄，並且氧氣只佔火星大氣的0.13%，火星的氧分壓只相當於地球的1/20000。行使火星現有的資本生產氧氣可以斟酌採用物理化學方式處置懲罰風化層凍土和水冰獲得液態水再通過電解水制氧氣，或經由過程物理化學方式解離二氧化碳得到氧氣。

　　藍細菌可以使用太陽能通過光合感化光解水生成氧氣，這為經由過程物理化學方法製備氧氣供給了有效補充和平安備份。相比物理化學方式，藍細菌光合放氧裝置能耗更低，也易於搭建。藍細菌光合放氧的效力要遠高於植物，並且在光合反應器中經由過程優化培養溫度、補料速度、細胞濃度和光照強度可以進一步提高藍細菌光合放氧的效力。圖3中展現的就是德國斯圖加特大學與德國航空航天中心和空中客車結合開發的可整合到生命保持系統的光合生物反應器。據報道採用20升的光合生物反應器就能夠滿足一個成年人一天的需氧量。氧氣是光合感化的副產物，很多藍細菌是可食用的，是以產生氧氣所需的資源可同時用於食物的生產。

　　食物

　　食物對人類的保存來說也是必不成少的，藍細菌可以在行使火星資本生產食物方面大顯身手。螺旋藻（Spirulina）、髮菜（髮狀念珠藻，Nostoc flagelliforme）、地木耳（通俗念珠藻，Nostoc commune）和葛仙米（擬球狀念珠藻，Nostoc sphaeroides ）都是傳統的可食用藍細菌。

　　螺旋藻營養雄厚，含有卵白質、脂肪酸、維生素、色素以及礦物資，卵白質含量可達干重的50-70%，在世界各地都有普遍培育種植提拔及用作炊事補充劑。髮菜富含卵白質和鈣、鐵等礦物資，耐嚴寒、乾旱，抗輻射的能力很強，普遍分佈於世界各地的戈壁和貧瘠土壤中。地木耳富含卵白質和維生素，耐嚴寒、乾旱，普遍分佈於世界各地，可發展在岩石及砂土上，在地球的南極仍能生存。斟酌到人們的飲食習慣和口味，藍細菌還可以顛末簡單加工后添加到其他食品中。顛末遺傳改造的藍細菌還可以合成和排泄蔗糖、葡萄糖和果糖等碳水化合物。

　　火星距離地球最近時約有5500萬公里，從地球到火星要飛翔100-300天。髮菜與地木耳經由充裕乾燥脫水后可在航天器中長期留存，下降有效載荷的質量和體積。乾燥過的髮菜與地木耳遇水后復甦，又可以從頭發展。髮菜及地木耳都屬於念珠藻，具有固氮能力，可以固定火星大氣層中的氮氣為風化層供給天然氮肥。藍細菌還可以哄騙太陽能和火星上的水分，接收風化層中的磷、硫、鎂、鐵等各類營養元素，固定火星大氣中的二氧化碳和氮氣，生成可供異養微生物和植物利用的各類底物。

　　地球上與火星近似的荒漠地域也存在著種類豐富的藍細菌。具鞘微鞘藻等藍細菌能在荒涼區域嚴格（乾旱、強輻射、溫度劇烈轉變和高鹽鹼）的環境下發展滋生，經由過程分泌胞外多糖和施加機械束厄局促力構成生物結皮，用於防沙治沙，增進荒涼地區的生態修復。近似的策略也能夠運用到火星。

　　燃料

　　液態氫可以作為航天推動劑，但斟酌到綜合性能，液態甲烷是更具優勢的推動劑。氫氣與二氧化碳在高溫、高壓條件下産生Sabatier反應可生成甲烷和水。火星大氣層中有厚實的二氧化碳，二氧化碳分壓為地球的17.6倍。氫氣可以經由過程電解水得到，藍細菌也能夠產生氫氣，比擬電解水制氫可以顯著下降能耗。藍細菌首要通過固氮酶和氫化酶產氫。具有固氮能力的念珠藻和魚腥藻在產氫方面有必然的優勢。脂肪烴是汽油、柴油和煤油等液體燃料的首要成分，而脂肪烴的生物合成在藍細菌中遍及存在。

　　材料

　　藍細菌在營養匱乏的前提下可合成聚羥基丁酸酯（polyhydroxybutyrate， PHB）等聚羥基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates， PHA），作為細胞內的能量和碳源蘊藏物質。PHA被認為是最有前程的生物塑料之一。它們的機械性能與聚丙烯類似，可以在相似的前提下加工，PHA的首要優點之一是生物可降解性。在火星上PHA等生物聚合物可被用作3D列印的材料。

　　其他運用

　　藍細菌還可以合成類菌孢素氨基酸（Mycosporine-Like Amino Acids，MAAs）、藻藍卵白等抗輻射、抗氧化的化合物，以及對乙酰氨基酚（acetaminophen）等藥物。作為「跨界小妙手」，藍細菌還可用於人類舉動產生的有機廢物和廢水的回收使用。經由過程合成生物學等手段對藍細菌進行改造，將有助於它們完成火星墾荒者的名譽使命。

　　火星移民設計等候您的介入

　　人類對火星的認識是一個接續深入的進程。我國打算在2020年實行「天問一號」火星探測任務，將一步完成繞、落、巡三步，這將是世界上初次摸索火星即完成軟著陸的義務。不外，移民火星是一個漫長而且佈滿挑戰的進程，從假想變為現實還有很長的一段路要走。曾讓地球煥發生機的藍細菌，將來能在火星成功拓荒嗎？我們等候著您的真知灼見。