曾經，火星表面有水流淌。海浪拍打著岸邊，強風呼嘯，大雨從厚厚的雲層中傾瀉而下。除了一個關鍵區別外，它與 40 億年前的地球非常相似——火星的體積。火星的直徑只有地球的一半，而正是這個差異導致了一系列問題。
火星的核心冷卻得很快，導致其失去了磁場保護。沒有了磁場，火星的大氣層被太陽風吹走。失去了保護層，火星也無法抵擋太陽的紫外線，保住熱量。海洋逐漸蒸發，剩下的水分被地表下層吸收，只在兩極留下了一些冰凍的水。持續的輻射加上全球性的塵暴引發的靜電反應，使得火星的土壤發生了一系列化學反應，最終讓它富含一種叫做高氯酸鹽的有毒物質。如果火星上曾經長出過一片草地，那已經是很久以前的事了。
但這些日子能否重新開始？要在火星上種植作物、為未來的太空人提供食物，究竟需要什麽？在科幻小說裏，這似乎不是什麽大問題。2015 年電影【火星救援】中的 Matt Damon，只需要建一個溫室，把人類的排泄物鋪在土壤上，加點水，等著作物長出來。電影在某些方面是對的——人類體內的細菌確實會起作用——但它忽視了高氯酸鹽的問題。實際上，那些薯仔根本無法生長，即便它們僥幸長出來了，吃上兩年受高氯酸鹽汙染的薯仔也足以讓他的甲狀腺失靈、腎臟受損、細胞受傷——盡管他可能不會立即察覺，因為高氯酸鹽還具有神經毒性。這原本可以成為 Matt Damon 最經典的「死亡場景」。
在 Andy Weir 寫作這部小說時，人們對火星上高氯酸鹽的分布和豐度了解得並不多。雖然 NASA 的鳳凰號探測器早在 2008 年就發現了高氯酸鹽，但後續的探測器任務和歷史數據的積累才證實，這種化學物質不僅遍布火星，而且數量驚人。整體來看，火星表面的高氯酸鹽含量約為 0.5%（按重量計）。相比之下，地球上的濃度通常只是火星的百萬分之一。
這對 NASA 說是一個巨大的難題。阿耳忒彌斯計劃的最終目標是讓太空人登上火星。在過去十年裏，NASA 一直在推動一個長期計劃，旨在實作人類在火星上建立「地球獨立」的居住地。更加雄心勃勃的是，雖然聽起來不太現實，但 SpaceX 的行政總裁馬斯克曾表示，他希望未來 20 年內能有一百萬人在火星上定居。
任何關於火星獨立生存的設想，都意味著必須解決高氯酸鹽問題，因為人類必須要吃東西。補給任務本質上依賴地球，而水培技術不足以養活大規模的人群。
「我們可以用水培系統輕松養活 10 到 20 個人，但規模再擴大就很困難了，」Winston-Salem 州立大學的植物壓力生理學副教授 Rafael Loureiro 說。水培系統必須在地球上建造，而且需要能耗高的泵和持續監控以防止細菌和真菌感染。「一旦系統被感染，你的整個作物就全毀了，因為它是一個封閉的迴圈系統，」他說，「你不得不丟掉一切並重新開始。」
Loureiro 認為，唯一可行的未來之路就是耕作火星的土地：「高氯酸鹽問題是我們最終必須解決的難題。」
火星上並沒有土壤，只有覆蓋在星球表面的有毒塵土層——也就是由松散的巖石、沙子和塵土組成的表層。在地球上，這些塵土混合著數十億年來分解的有機生物質，形成了土壤，但在火星上，這些有機物根本不存在。要在火星上種植食物，我們不能僅僅把種子撒在地上然後加點水。我們需要創造出一層能夠維持生命的土壤。而要做到這一點，首先必須清除那些有毒的高氯酸鹽。
清除高氯酸鹽的方法有不止一種。你可以透過燃燒來分解高氯酸鹽，它們在約 750 華氏度時會分解，但為此你可能需要核反應堆等能源以及大量輔助器材。你也可以用水來沖洗高氯酸鹽，但 Loureiro 解釋說：「你需要的水量非常巨大，而水在火星上是極為有限的資源。」這種方法同樣需要大量能量投入。「從長遠來看，這不可行，」他告訴我。理想的解決方案並不依賴於重型機械，而是依賴於一些微小的東西——事實上，微小到肉眼看不見。
NASA 和美國國家科學基金會正在資助研究，探索未來的火星太空人如何利用微生物不僅能從火星土壤中去除高氯酸鹽，還能將火星的塵土層改造成適合耕種的土壤。這項工作基於多年來在地球上不同地區進行的類似研究，如果成功，不僅能改善火星上的農業，還能為地球和火星的農業發展帶來雙重收益。
「如果我們能夠在火星的塵土層中成功種植植物，那麽我們就能在地球上的任何地方做到這一點。」
把火星農業視作遙遠的未來科幻問題似乎很容易，但科學家們必須在火箭發射之前解決這些問題，而不是等到人類已經踏上征途之後。正如 NASA 的許多研究一樣，解決「太空上的」問題，往往對「地球上的」生活也有直接的影響。簡而言之，我們從火星學到的東西，可能幫助我們在地球上把不毛之地變成富饒的農業區。在地球上，高氯酸鹽的自然濃度在沙漠地區最高，而在其他地區，高濃度的高氯酸鹽通常源於工業廢料。這些毒素對地球上的植物的危害和對未來火星作物的威脅一樣嚴重。這意味著，不僅僅是 NASA 對治理高氯酸鹽感興趣，美國農業部也在資助這類研究。
「如果我能夠在一個完全陌生的環境中種植植物，那麽我開發的技術就可以百分之百地套用於地球上那些面臨糧食短缺的地區。可以套用於極度幹旱、無法進行農業生產的地方，也可以套用於被采礦公司汙染了土壤的地區，」Loureiro 說。
「如果我們能夠在火星的塵土層中種植植物，那麽我們就能在地球上的任何地方做到這一點。」
思維轉向微觀
亞利桑那州立大學生物設計研究所的科學實驗室看起來像是美國每個生物課堂的放大版：長長的黑色實驗台、各種顯微鏡和試管架。然而，當你仔細觀察時，會發現這裏的顯微鏡更為高級，還有氣相色譜儀和有機碳分析儀等高科技儀器。
微生物學家 Anca Delgado 在入口處迎接我，我們在那裏換上了白色實驗服和護目鏡。「今天我們不會弄臟你，但安全第一，」她開玩笑地說。
地球的土壤濕潤而富有生命力，因板塊運動、微生物活動和巖石迴圈的影響，其礦物成分非常多樣化。但只要看看火星，你就能感受到其中的巨大差異：這個小行星球的核心在大部份鐵沈降到中心之前就冷卻了。因此，火星的塵土層富含富鐵礦物，並隨著時間的推移發生氧化，火星的表面實際上已經銹蝕。沒有水的參與，火星主要透過風和溫度引發的機械風化發生變化；沒有生命，它的土壤完全是無機物質。
盡管如此，Delgado、她的研究生和全國各地的同事們已經找到了一條可能的解決方案，可以解決高氯酸鹽問題並使火星的塵土層變得可耕種。
高氯酸鹽是一類由帶負電的氯和氧離子與帶正電的離子（如鈉）結合形成的鹽類。（還有一種叫做高氯酸的物質，包含相同的帶負電離子。）在地球上，高氯酸鹽的豐富程度通常與人類活動有關。軍事制造、迪士尼樂園的煙花秀等各種活動都在其中扮演了角色。事實上，美國在二戰時期對含氯化合物的狂熱不僅限於高氯酸鹽，還廣泛使用有機氯溶劑，從幹洗、金屬脫脂到衣物染料和醫藥領域都有涉及。
整個工業界曾經對廢棄物的管理采取了「自由放任」的態度，導致了全國範圍內地下水的汙染。Delgado 告訴我：「在【清潔水法案】以及 1970 年代的相關立法禁止使用某些化學物質之後，我們才發現汙染的嚴重性。」一些水汙染是顯而易見的，比如俄亥俄州的卡雅霍加河曾經經常自燃起火。但其他汙染則隱藏得很深。紐約州尼亞加拉瀑布市的 Love Cana l社區居民曾報告該地區白血病標誌物和出生缺陷的比例異常高，而直到後來人們才意識到，1940 年代被傾倒入一條運河的兩萬噸化學物質可能是罪魁禍首。
然而，光停止將有毒化學物質傾倒入水道和垃圾填埋場並不夠。科學家們還必須找到替代方案——比如迪士尼在 2004 年開發了一種消除了高氯酸鹽排放的煙花發射器——同時，他們還需要找到清理現有汙染的方法。對於高氯酸鹽，可以透過化學手段清除。雨水和人工灌溉可以將這些化合物沖走，但這只會把問題轉移到地下水中。另一種方法是種植像柳樹和胡楊這樣的木本植物，它們能從土壤中吸收高氯酸鹽，隨後可以透過收割這些植物將其從汙染迴圈中移除。
另一種生物解決方案是利用微生物將有毒化學物質轉化為無害物質。這一概念的典型代表是一種叫做 Dehalococcoides mccartyi 的細菌，它以有機氯溶劑為食，並排出脫氯乙烯（這是一種無毒的簡單碳氫化合物）和無害的氯離子，這些離子在自然環境中本就存在。Delgado 在博士期間曾研究這種細菌，當時她的興趣完全是針對地球環境的。然而，盡管這種方法非常有效，但並非完美。它在自然環境中發揮作用的速度極慢。
「我們當時處理汙染的時間跨度是幾個月到幾十年，」Delgado 告訴我。她的研究試圖以更高密度培養 D. mccartyi，以提高處理速度，加快美國廢棄汙染場地的治理速度。她的研究成果已經套用於亞利桑那州、新澤西州和加利福尼亞州的多個現場。
Delgado 帶我參觀了實驗室，實驗室采用了開放式布局。她說，自 2004 年生物設計研究所成立以來，理念一直是將通常不會互動的研究人員聚集在同一個物理空間內。因此，研究廢水、汙泥和土壤的微生物學家們與研究 DNA 折紙技術的科學家們相鄰而居。
從清理地球的有毒廢棄物到讓火星表面適合耕作的研究突破始於 2017 年，就在 Delgado 開始她新工作的前一個月。她當時讀了一篇關於火星的文章，隨意查閱了迄今為止在火星上檢測到的化學元素。「我喜歡微生物，我想看看火星是否能滿足它們的營養需求，」她說。「我有點科幻迷的傾向。」
在參加一場大學組織的研究員討論會時，她決定大膽提出自己的想法：「我對研究微生物能否在火星條件下生長很感興趣。」
她讀到的一篇【自然】雜誌的文章最終激發了她的行動力。植物生長所需的土壤有機質，通常是由分解的植物和動物材料構成的。這似乎意味著火星農業無法實作。然而，研究人員首次證明，僅靠微生物就可以形成土壤有機質——無需依賴腐爛的植物。微生物自身以及它們的組織和分泌物，能夠合成土壤。
Delgado 意識到，高氯酸鹽可以作為初始催化劑，成為微生物繁衍並分解的養分來源。最終，這一過程能夠使火星的塵土層變得適合耕種。
為此，她向國家科學基金會申請了「新興前沿研究與創新」專案的資助，以探索這個想法。NASA 看到了她提案的潛力，並共同資助了該專案。2022 年，該專案獲得了總計 190 萬美元的資金，計劃作為一個多年、多機構的合作專案開展，Delgado 擔任首席研究員。該專案計劃由 ASU 作為主導機構，研究如何利用微生物降低火星土壤中高氯酸鹽的濃度；亞利桑那大學將研究這些微生物在分解高氯酸鹽過程中形成的土壤有機質；佛羅裏達理工學院則負責研究如何在處理後的土壤中種植作物。
測試火星土壤
研究火星塵土層的一個難題在於，地球上根本沒有這種真實的土壤。NASA 過去 50 年的火星探索計劃一直致力於研究這顆紅色星球是否適合生命。多年來，NASA 一直希望能夠將火星的原始土壤樣本帶回地球的無菌室進行分析。然而，到目前為止，NASA 還沒有制定出一個可信的任務來實作這一目標。今年 4 月，NASA 局長 Bill Nelson 基本上承認了這一點，並向外部研究機構和私營企業征求如何以負擔得起的方式實作火星樣本返回的提案。
與此同時，科學家們只能用模擬的火星土壤來研究減少高氯酸鹽濃度的方法，諸如加熱、輻射和微生物方法等。
在亞利桑那州立大學的 Delgado 實驗室中，研究器材包括一個孵化器和一個客製的厭氧室，裏面配備了共聚焦顯微鏡，用於分析對氧氣敏感的微生物。在一個擺滿了各種大小密封玻璃器皿、註射器、移液管和其他器材的研究工作站，Delgado 介紹了她的兩位博士生：環境工程專業的 Alba Medina 和生物設計專業的 Briana Paiz，她們都是該專案的主要研究人員。
桌上的密封瓶裏裝著顏色各異的溶液，從褐色到黑色不等。在較為透明的溶液中，瓶底有一層紅色物質，看起來和火星上的土壤顏色十分相似。「這些叫做微宇宙瓶，」Delgado 解釋道。「為了保持化學成分和組成的完整性，任何需要加入或取出的物質都要透過針頭和註射器操作。」
這些瓶子中裝有營養物質、水（生命必需的要素）和模擬的火星土壤。由於沒有火星塵土層可用，Delgado 使用了一種名為「MGS-1」（火星全球模擬物）的替代物，這種模擬土壤在化學成分、礦物組成、比例和物理特性上都盡量與火星探測車「好奇號」所測得的土壤規格相匹配。這個模擬物是由 Space Resource Technologies 公司制造的，任何人都可以線上購買。
「這是你能買到的最貴的‘土’了，」Delgado 笑著說。她遞給我一只乳膠手套，以免弄臟雙手，並拿出一袋讓我摸了一下。這種模擬土壤感覺像那種你只會在昂貴海灘上發現的沙子，顆粒非常細膩，看起來像可可粉。
研究人員需要向微宇宙瓶中添加的唯一東西是高氯酸鹽，這是一種白色粉末。有了這些，他們就可以將火星「裝入」瓶中了。
「接下來，」Paiz 說道，「我們會加入微生物。」她帶我參觀了各種實驗。「這些微宇宙瓶中有 Dechloromonas，而後面那些瓶子裏是純培養的 Haloferax denitrificans，這是一種在鹹性環境中茁壯生長的細菌。」團隊還在嘗試使用各種混合微生物群落，每族群落與不同的元素和化合物相互作用，在各自的微宇宙中產生不同的化學組成。因此，有些瓶子的顏色像巧克力，而另一些則像花生醬。
「它們最初都是一樣的顏色，」Medina 說。「比如，這個瓶子變黑是硫酸鹽還原微生物活動的視覺證據。」
細菌會選擇它們喜歡的物質消化，忽略它們不喜歡的。Delgado 的團隊正在尋找理想的微生物組合，既能有效消除高氯酸鹽，又能高效執行。高氯酸鹽其實也提供了機會。當 Delgado 的微生物分解這些化合物時，會生成氯化物和氧氣。
「太空人可以利用它們在火星上生產氧氣，」Delgado 說。「這可能是火星上氧氣的一個重要來源。我們正在考慮如何捕獲這些氧氣。」
微生物培養不需要大量帶上火星，因為微生物繁殖速度極快。科學家只需帶不到一克的材料——甚至連一個回形針的重量都不到——在火星上就可以無限繁殖。一些滴在試管中的微生物，理論上可以產生整個果園的作物。
而最理想的微生物運輸系統就是太空人本身。我們的身體裏已經含有能消化高氯酸鹽的微生物，它們存在於我們的腸道微生物群中。Delgado 的團隊使用的是從汙水處理廠獲得的汙泥中的微生物群來研究高氯酸鹽。因此，Matt Damon 在電影【火星救援】中扮演的角色在某種程度上確實是對的。
但即使擁有能夠分解高氯酸鹽的微生物，它們是否能有效工作還是一個問題。「這些微生物群落確實包含高氯酸鹽還原菌，但它們也伴隨著‘朋友’和‘敵人’一同存在，」Delgado 解釋道。我們的微生物群中有成千上萬種細菌，它們在爭奪養分時相互競爭，導致效率低下。關鍵在於找到方法幫助那些消耗有害物質的微生物，同時減少那些幹擾微生物的數量。
目前，Delgado 的實驗室正在小批次處理塵土層。成功的高氯酸鹽還原處理可以將其濃度從約每公斤五克（原來的 0.5%）降到五到二十微克每公斤，甚至更低。現有文獻表明，這個濃度範圍不會抑制種子發芽。相比之下，亞利桑那州沙漠中的土壤高氯酸鹽背景濃度為 0.3 到 5 微克每公斤，而在阿塔卡馬沙漠中，這一數值可高達 2500 微克每公斤。
然而，光去除高氯酸鹽並不足以讓火星上的植物茁壯成長。佛羅裏達理工學院的生物學副教授、Delgado 專案的合作研究員 Andrew Palmer 說：「清除高氯酸鹽後，問題仍然是如何將火星塵土層轉化為土壤。」
Palmer 解釋說，無論有沒有高氯酸鹽，塵土層本質上都是一種惰性基質。嚴格來說，土壤是經過生物作用並能夠反作用於生物的基質。而在模擬火星塵土中——或許未來在實際的火星塵土中，負責消除高氯酸鹽的微生物活動也可能會轉化礦物質，釋放出對植物有益的養分，比如鉀和磷。找到最好的方法實作這一點，是 Delgado 團隊在研究不同微生物菌株和汙泥時的目標之一。
Palmer 告訴我：「透過生物過程去除高氯酸鹽，不僅應該消除它們，還應該幫助我們向土壤中引入其他養分。我們正在嘗試把生態迴圈引入塵土層。」
早期的結果非常有希望，但這是一項需要多年努力的工作。研究人員已經成功減少了塵土層樣本中的高氯酸鹽含量，增加了樣本中的有機物濃度，改變了塵土層的結構，並且成功在其中種植植物。他們的目標是將這些步驟整合在一起。「整個資助專案、所有參與者的工作，都是為了把含有高氯酸鹽的塵土層轉化為適合植物生長的土壤，」Palmer 說，「這很有潛力。」
如果一切順利，模擬塵土層中的總有機碳濃度應該比最初高出兩到五倍，這是微生物生成的有機殘留物的結果。最終，隨著有機碳改變了塵土層的物理特性，模擬土壤的持水能力也會得到改善，使原本像黏土一樣的塵土層變得更松散，更有利於植物及其根系生長。
一旦這些模擬的火星塵土準備就緒，科學家們對其效果滿意，這些材料就會被送往Palmer 位於佛羅裏達的實驗室，看看哪些植物能夠生長。
西紅柿和藜麥
Palmer 承認，七年前當 NASA 的代表第一次接觸他時，他對在火星上種植植物的問題並不特別感興趣。那時候他覺得這個工作有點無聊：「植物能在泥土裏長——簡直像 11 點的新聞那樣稀松平常。」他開玩笑說。
然而，隨著他們的討論深入，NASA 的科學家們解釋了使用火星模擬物以及解決高氯酸鹽問題的挑戰，Palmer 的好奇心被激發了。我們究竟要如何在火星上提供充足的食物呢？於是，他和佛羅裏達理工學院化學生態與天體生物學實驗室的研究人員開始在月球和火星的塵土模擬物中種植植物、真菌和細菌，探索如何將塵土層改造成適合植物生長的土壤。
「火星距離我們有六到九個月的旅程。如果你失去了食物來源，可能無法撐到下一次補給任務的到來。」
——佛羅裏達理工學院生物學副教授 Andrew Palmer
除了孵化器，Palmer 和他的團隊還使用一個他們稱為「紅屋」的房間，這是一種半控制環境。
「這是一個巨大的房間，裏面全是人工照明和環境控制，我們在裏面種植的植物從未見過自然光，這正是我們認為地外生長環境的模擬情況，」他說。火星缺乏有意義的大氣層，溫度比南極還要寒冷，因此任何在火星上種植的作物都需要在封閉的、控制良好的環境中，在人工光照下生長。
Palmer和他的團隊在火星模擬土壤中多次種植和再種植植物，以了解塵土層在作物生長過程中隨時間推移的變化。目前，他們「定期」在商業化的火星模擬土壤中種植羅馬生菜、甜椒、西紅柿和三葉草。這個學期，他們還開始嘗試種植花生和藜麥。
由於專案仍處於早期階段，他們目前尚無關於從亞利桑那州獲得的初步材料的研究結果。目前，他們正在進行發芽實驗。
「我們仍在試圖理解這種模擬土壤的物理行為，因為當你加入水時，它可能會結塊——變得非常堅固和密實，這會抑制植物根系的生長。這是一個非常棘手的問題，」Palmer 說。
他們發現的其中一個現象是，隨著時間的推移，植物在火星模擬土壤中生長會使其質地變得更「松軟」。Palmer 計劃使用電子顯微鏡來研究 Delgado 實驗室的樣本。「塵土層的顆粒實際上非常鋒利，」他告訴我。這一現象適用於火星和月球的塵土層。「經過一段時間的植物生長後，通常細菌會使這些顆粒變得更加圓滑。」這是因為微生物在塵土層中的生長通常會導致生物膜和其他有機化合物的沈積，同時也會腐蝕或侵蝕顆粒表面。這些變化都有利於植物的生長。
Palmer 認為，食物安全是火星任務的重中之重，迄今為止的研究讓他感到樂觀。
「火星距離地球六到九個月的旅程。如果你失去了食物來源，可能無法撐到下一次補給任務的到來，」他說。解決方案在於多樣性。應該儲備冷凍食物，一些作物可以透過水培種植，另一些則可以在塵土層中種植。如果某一系統失敗，你還可以依靠其他系統重新啟動。這不僅是一個好的安全策略，更重要的是，如果我們真心想把火星變成家園，我們必須利用那些使我們獨特的技能。農業無疑是其中最重要的一項。
Palmer 說：「耕作土地有一種與人類息息相關的感覺。這意味著你已經掌控了那片土地。你只有在掌握了土壤之後，才真正掌握了那片地方。」
David W. Brown 是一位居住在新奧爾良的作家。他的下一本書【The Outside Cats】講述了一個極地探險隊以及他與他們一起遠征南極的故事。該書將於 2026 年由 Mariner Books 出版。
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