地球上最顽强的微生物，或能助人类移居火星

火星并非一直是如今的模样。数十亿年来，这颗行星失去了曾经保护其表面的浓厚大气层。如今的环境与大多数地球生命能耐受的环境截然不同：空气极为稀薄且主要成分为二氧化碳，气压不足地球的1%，温度在约 -90°C（-130°F）到26°C（79°F）之间剧烈波动。

除此之外，火星上还存在持续的宇宙辐射，且没有可供呼吸的空气。这意味着火星避难所远不止提供屋顶和墙壁那么简单，它必须作为生命支持避难所，能够抵御这个会破坏生命系统的星球环境。从地球运送大量建筑材料成本过高且不现实，因此切实可行的方法是利用火星上已有的资源。原位资源利用（ISRU）即使用本地材料，这是火星可持续人类生活计划的核心。

美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”火星车从杰泽罗陨石坑（一个古老的火星河床）采集了样本，这些样本可能包含早期生命的证据。这种可能性引发了一个超越寻找过去生物的更大问题：如果微生物曾在火星上生存，那么微生物过程是否也能帮助我们在火星上进行建设？

地球生命始于浅水环境中的简单微生物。随着时间的推移，这些微小的生物以巨大的方式重塑了地球，包括帮助大气充满氧气，以及创造出像珊瑚礁一样坚固的结构。当我们展望火星时，研究人员在思考：小型生命形式是否能再次发挥巨大作用，这一次是帮助将这个贫瘠的星球转变为人类能够生存的地方。

我们的研究从自然系统中汲取灵感，汇集了多个领域的专家开展国际跨学科合作。研究重点是生物矿化作用——微生物（细菌、真菌和微藻）在新陈代谢过程中产生矿物质的过程。生物矿化作用已影响地球景观数十亿年。在酸性湖泊、火山土壤和深洞等恶劣环境中繁衍的微生物，在探索何种方法能在火星条件下奏效时可能特别有用。

利用火星车获取的火星土壤（风化层）数据，我们团队正在研究不同的微生物矿化途径，以确定哪些途径能生产用于栖息地的坚固材料，同时避免星际污染风险。目前最有前景的方法是生物胶结。在这种方法中，微生物在室温下产生类似水泥的物质，如碳酸钙。

这项工作的关键部分在于两种细菌的合作。一种是巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii），已知其通过尿素分解作用产生碳酸钙。另一种是聚球藻（Chroococcidiopsis），这是一种能在极端环境（包括模拟火星条件）中生存的坚韧蓝细菌。它们共同构成一个合作系统：聚球藻释放氧气，为巴氏芽孢八叠球菌创造更有利的微环境，还能产生胞外聚合物，保护巴氏芽孢八叠球菌免受火星表面有害紫外线辐射的伤害。作为回报，巴氏芽孢八叠球菌分泌天然聚合物，支持矿物质形成并帮助结合风化层。其结果是松散的土壤能转化为固体的类混凝土材料。

长期愿景是将这种细菌共培养物与火星风化层结合，用作火星3D打印的原料。这一概念处于天体生物学、地球化学、材料科学、建筑工程和机器人技术的交叉点。如果能大规模应用，它可能会改变火星建筑的设计和制造方式。

其潜在价值不仅限于建筑。由于聚球藻能产生氧气，它可能有助于栖息地稳定和宇航员生命支持。长期来看，巴氏芽孢八叠球菌新陈代谢产生的氨副产品可能有助于实现闭环农业系统，甚至可能在火星地球化尝试中发挥作用。

尽管想法前景广阔，但这项工作仍处于早期阶段。国际机构计划在2040年代建造首个火星人类栖息地，但火星样本返回的一再延迟限制了火星特定建筑方法的测试和确认速度。随着航天机构计划在未来十年开展载人任务，生物衍生建筑的研究需要立即推进，以便在人类抵达时做好准备。

从天文学角度来看，一项主要任务是了解这些微生物群落在火星风化层中的行为，以及它们如何承受火星的多种压力。实验室中的风化层模拟物为在类火星条件下测试共培养物以及建立预测生物胶结性能的模型提供了实用方法。

机器人技术带来了另一个挑战。在地球上很难模拟火星重力，而重力会影响3D打印和自主建造。为准备未来任务，我们需要强大的控制算法和专门的协议，使机器人系统能在火星特殊环境中高效可靠地建造。进展可能是渐进的，但每一次实验、成功的测试和改进的程序都让我们离人类真正能称火星为家的未来更近一步。