来源：MIT Technology Review
曾经，火星表面有水流淌。海浪拍打着岸边，强风呼啸，大雨从厚厚的云层中倾泻而下。除了一个关键区别外，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 Matt Damon，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 Matt Damon 最经典的“死亡场景”。
在 Andy Weir 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 NASA 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，这种化学物质不仅遍布火星，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 NASA 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。在过去十年里，NASA 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 到 20 个人，但规模再扩大就很困难了，”Winston-Salem 州立大学的植物压力生理学副教授 Rafael Loureiro 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。”
Loureiro 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 750 华氏度时会分解，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 Loureiro 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，”他告诉我。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。
NASA 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 NASA 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 NASA 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，”Loureiro 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
亚利桑那州立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。
微生物学家 Anca Delgado 在入口处迎接我，我们在那里换上了白色实验服和护目镜。“今天我们不会弄脏你，但安全第一，”她开玩笑地说。
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，Delgado、她的研究生和全国各地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。军事制造、迪士尼乐园的烟花秀等各种活动都在其中扮演了角色。事实上，美国在二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。
来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS
整个工业界曾经对废弃物的管理采取了“自由放任”的态度，导致了全国范围内地下水的污染。Delgado 告诉我：“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，比如俄亥俄州的卡雅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 Love Cana l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 年代被倾倒入一条运河的两万吨化学物质可能是罪魁祸首。
然而，光停止将有毒化学物质倾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。
另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 Dehalococcoides 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。Delgado 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，”Delgado 告诉我。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。
Delgado 带我参观了实验室，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 Delgado 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。
Delgado 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。NASA 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，Delgado 担任首席研究员。该项目计划由 ASU 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。NASA 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，NASA 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，NASA 还没有制定出一个可信的任务来实现这一目标。今年 4 月，NASA 局长 Bill Nelson 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 Delgado 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，Delgado 介绍了她的两位博士生：环境工程专业的 Alba Medina 和生物设计专业的 Briana Paiz，她们都是该项目的主要研究人员。
桌上的密封瓶里装着颜色各异的溶液，从褐色到黑色不等。在较为透明的溶液中，瓶底有一层红色物质，看起来和火星上的土壤颜色十分相似。“这些叫做微宇宙瓶，”Delgado 解释道。“为了保持化学成分和组成的完整性，任何需要加入或取出的物质都要通过针头和注射器操作。”
这些瓶子中装有营养物质、水（生命必需的要素）和模拟的火星土壤。由于没有火星尘土层可用，Delgado 使用了一种名为“MGS-1”（火星全球模拟物）的替代物，这种模拟土壤在化学成分、矿物组成、比例和物理特性上都尽量与火星探测车“好奇号”所测得的土壤规格相匹配。这个模拟物是由 Space Resource Technologies 公司制造的，任何人都可以在线购买。
“这是你能买到的最贵的‘土’了，”Delgado 笑着说。她递给我一只乳胶手套，以免弄脏双手，并拿出一袋让我摸了一下。这种模拟土壤感觉像那种你只会在昂贵海滩上发现的沙子，颗粒非常细腻，看起来像可可粉。
研究人员需要向微宇宙瓶中添加的唯一东西是高氯酸盐，这是一种白色粉末。有了这些，他们就可以将火星“装入”瓶中了。
“接下来，”Paiz 说道，“我们会加入微生物。”她带我参观了各种实验。“这些微宇宙瓶中有 Dechloromonas，而后面那些瓶子里是纯培养的 Haloferax denitrificans，这是一种在咸性环境中茁壮生长的细菌。”团队还在尝试使用各种混合微生物群落，每种群落与不同的元素和化合物相互作用，在各自的微宇宙中产生不同的化学组成。因此，有些瓶子的颜色像巧克力，而另一些则像花生酱。
“它们最初都是一样的颜色，”Medina 说。“比如，这个瓶子变黑是硫酸盐还原微生物活动的视觉证据。”
细菌会选择它们喜欢的物质消化，忽略它们不喜欢的。Delgado 的团队正在寻找理想的微生物组合，既能有效消除高氯酸盐，又能高效运行。高氯酸盐其实也提供了机会。当 Delgado 的微生物分解这些化合物时，会生成氯化物和氧气。
“宇航员可以利用它们在火星上生产氧气，”Delgado 说。“这可能是火星上氧气的一个重要来源。我们正在考虑如何捕获这些氧气。”
微生物培养不需要大量带上火星，因为微生物繁殖速度极快。科学家只需带不到一克的材料——甚至连一个回形针的重量都不到——在火星上就可以无限繁殖。一些滴在试管中的微生物，理论上可以产生整个果园的作物。
而最理想的微生物运输系统就是宇航员本身。我们的身体里已经含有能消化高氯酸盐的微生物，它们存在于我们的肠道微生物群中。Delgado 的团队使用的是从污水处理厂获得的污泥中的微生物群来研究高氯酸盐。因此，Matt Damon 在电影《火星救援》中扮演的角色在某种程度上确实是对的。
但即使拥有能够分解高氯酸盐的微生物，它们是否能有效工作还是一个问题。“这些微生物群落确实包含高氯酸盐还原菌，但它们也伴随着‘朋友’和‘敌人’一同存在，”Delgado 解释道。我们的微生物群中有成千上万种细菌，它们在争夺养分时相互竞争，导致效率低下。关键在于找到方法帮助那些消耗有害物质的微生物，同时减少那些干扰微生物的数量。
目前，Delgado 的实验室正在小批量处理尘土层。成功的高氯酸盐还原处理可以将其浓度从约每公斤五克（原来的 0.5%）降到五到二十微克每公斤，甚至更低。现有文献表明，这个浓度范围不会抑制种子发芽。相比之下，亚利桑那州沙漠中的土壤高氯酸盐背景浓度为 0.3 到 5 微克每公斤，而在阿塔卡马沙漠中，这一数值可高达 2500 微克每公斤。
然而，光去除高氯酸盐并不足以让火星上的植物茁壮成长。佛罗里达理工学院的生物学副教授、Delgado 项目的合作研究员 Andrew Palmer 说：“清除高氯酸盐后，问题仍然是如何将火星尘土层转化为土壤。”
来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS
Palmer 解释说，无论有没有高氯酸盐，尘土层本质上都是一种惰性基质。严格来说，土壤是经过生物作用并能够反作用于生物的基质。而在模拟火星尘土中——或许未来在实际的火星尘土中，负责消除高氯酸盐的微生物活动也可能会转化矿物质，释放出对植物有益的养分，比如钾和磷。找到最好的方法实现这一点，是 Delgado 团队在研究不同微生物菌株和污泥时的目标之一。
Palmer 告诉我：“通过生物过程去除高氯酸盐，不仅应该消除它们，还应该帮助我们向土壤中引入其他养分。我们正在尝试把生态循环引入尘土层。”
早期的结果非常有希望，但这是一项需要多年努力的工作。研究人员已经成功减少了尘土层样本中的高氯酸盐含量，增加了样本中的有机物浓度，改变了尘土层的结构，并且成功在其中种植植物。他们的目标是将这些步骤整合在一起。“整个资助项目、所有参与者的工作，都是为了把含有高氯酸盐的尘土层转化为适合植物生长的土壤，”Palmer 说，“这很有潜力。”
如果一切顺利，模拟尘土层中的总有机碳浓度应该比最初高出两到五倍，这是微生物生成的有机残留物的结果。最终，随着有机碳改变了尘土层的物理特性，模拟土壤的持水能力也会得到改善，使原本像黏土一样的尘土层变得更松散，更有利于植物及其根系生长。
一旦这些模拟的火星尘土准备就绪，科学家们对其效果满意，这些材料就会被送往Palmer 位于佛罗里达的实验室，看看哪些植物能够生长。
西红柿和藜麦
Palmer 承认，七年前当 NASA 的代表第一次接触他时，他对在火星上种植植物的问题并不特别感兴趣。那时候他觉得这个工作有点无聊：“植物能在泥土里长——简直像 11 点的新闻那样稀松平常。”他开玩笑说。
然而，随着他们的讨论深入，NASA 的科学家们解释了使用火星模拟物以及解决高氯酸盐问题的挑战，Palmer 的好奇心被激发了。我们究竟要如何在火星上提供充足的食物呢？于是，他和佛罗里达理工学院化学生态与天体生物学实验室的研究人员开始在月球和火星的尘土模拟物中种植植物、真菌和细菌，探索如何将尘土层改造成适合植物生长的土壤。
“火星距离我们有六到九个月的旅程。如果你失去了食物来源，可能无法撑到下一次补给任务的到来。”
——佛罗里达理工学院生物学副教授 Andrew Palmer
除了孵化器，Palmer 和他的团队还使用一个他们称为“红屋”的房间，这是一种半控制环境。
“这是一个巨大的房间，里面全是人工照明和环境控制，我们在里面种植的植物从未见过自然光，这正是我们认为地外生长环境的模拟情况，”他说。火星缺乏有意义的大气层，温度比南极还要寒冷，因此任何在火星上种植的作物都需要在封闭的、控制良好的环境中，在人工光照下生长。
Palmer和他的团队在火星模拟土壤中多次种植和再种植植物，以了解尘土层在作物生长过程中随时间推移的变化。目前，他们“定期”在商业化的火星模拟土壤中种植罗马生菜、甜椒、西红柿和三叶草。这个学期，他们还开始尝试种植花生和藜麦。
由于项目仍处于早期阶段，他们目前尚无关于从亚利桑那州获得的初步材料的研究结果。目前，他们正在进行发芽实验。
“我们仍在试图理解这种模拟土壤的物理行为，因为当你加入水时，它可能会结块——变得非常坚固和密实，这会抑制植物根系的生长。这是一个非常棘手的问题，”Palmer 说。
他们发现的其中一个现象是，随着时间的推移，植物在火星模拟土壤中生长会使其质地变得更“松软”。Palmer 计划使用电子显微镜来研究 Delgado 实验室的样本。“尘土层的颗粒实际上非常锋利，”他告诉我。这一现象适用于火星和月球的尘土层。“经过一段时间的植物生长后，通常细菌会使这些颗粒变得更加圆滑。”这是因为微生物在尘土层中的生长通常会导致生物膜和其他有机化合物的沉积，同时也会腐蚀或侵蚀颗粒表面。这些变化都有利于植物的生长。
Palmer 认为，食物安全是火星任务的重中之重，迄今为止的研究让他感到乐观。
“火星距离地球六到九个月的旅程。如果你失去了食物来源，可能无法撑到下一次补给任务的到来，”他说。解决方案在于多样性。应该储备冷冻食物，一些作物可以通过水培种植，另一些则可以在尘土层中种植。如果某一系统失败，你还可以依靠其他系统重新启动。这不仅是一个好的安全策略，更重要的是，如果我们真心想把火星变成家园，我们必须利用那些使我们独特的技能。农业无疑是其中最重要的一项。
Palmer 说：“耕作土地有一种与人类息息相关的感觉。这意味着你已经掌控了那片土地。你只有在掌握了土壤之后，才真正掌握了那片地方。”
David W. Brown 是一位居住在新奥尔良的作家。他的下一本书《The Outside Cats》讲述了一个极地探险队以及他与他们一起远征南极的故事。该书将于 2026 年由 Mariner Books 出版。
原文链接：
https://www.technologyreview.com/2024/10/17/1105135/mars-farming-soil-food-humans-farming-agriculture/
