如何让每个人都能在地球上模拟火星，培育自己的“火星花园”？

本文来自微信公众号： 范阳 ，编辑：范阳，作者：范阳

我越来越对那些在极端环境中不仅能够生存下来、反而活得生机勃勃的生命，怀有深深的敬畏与好奇。对人类那是极端环境，对它们那就是平常的家园。

最近看到的一个新闻报道，是有一种来自新疆沙漠当中的“火星苔藓(Mars Moss)”，搭乘中国的轻舟试验飞船，完成了“太空复苏试验”。这种苔藓叫做“齿肋赤藓”，因为它来自于严酷的沙漠环境，齿肋赤藓可以耐极寒，甚至耐辐射，并且最神奇的是它可以脱水到98%几乎变成了黑炭，但是一浇水，几十秒钟就能变绿活了过来。科学家还在研究它的细胞里应该有一套自然进化赐予的“自我修复机制”。

看到这些齿肋赤藓的实验照片，我觉得很美的是来自我们西北大漠中的这些“不曾被听说过的植物”，它们也是第一批宇航员，在沙漠中沉睡，在太空中醒来。人们在构建的空间站和大火箭，也许有一天它们才是里面的主角。

以前在科幻片里才能看到的这些“太空生命”，似乎离我们的生活越来越近了。而这些太空生物学/天体生物学的研究，也许还会帮助人类解决地球上的气候变化和污染修复问题，甚至当我们更多的理解了这些可以“暂停生命”，可以从极限状态中恢复原样的生命机制之后，还能让人类减少许多冷链浪费，和不再需要巨额运输成本的疫苗、药品或鲜活食品。

今天分享的文章，来自于先锋实验室（Pioneer Labs）的博客，他们是一家实验室初创公司，专注于通过工程化改造生命体，让火星变得更适宜人类居住。他们最新的文章发表是有关于如何在地球上模拟火星环境。在这篇博客文章里介绍了新上线的“限定火星培养基”（Defined Mars Media），这是一个普通人和学生都可以动手自己做实验的“火星土壤的化学成分模拟添加剂”。随着未来科学家获取更多火星的数据和样本，这些模拟物也会越来越接近真实的火星成分。最终每个人都可以尝试培育一个“火星花园”，甚至参与到培育那些会登陆火星的“先锋物种”。

希望今天的文章对你有启发。

如何在地球上模拟火星？

How do you simulate Mars on Earth?

专访先锋实验室（Pioneer Labs）CEO埃里卡·德贝内迪克蒂斯（Erika DeBenedictis）

An interview with Erika DeBenedictis

文艺复兴慈善基金会（Renaissance Philanthropy）首席执行官托马斯·卡利尔（Thomas Kalil）专访生物工程师、先锋实验室首席执行官埃里卡·德贝内迪克蒂斯（Erika DeBenedictis）。

先锋实验室（Pioneer Labs）是一家初创公司，专注于通过工程化改造生命体，让火星变得更适宜人类居住。他们的工作处于生物工程与空间科学的交叉地带。他们研发的技术，将让首批登陆火星的人类能够就地取材，而不是依赖从地球运过去的物资（allow the first humans on Mars to live off the land rather than rely on supply chains from Earth）。

先锋实验室近期发布了一篇论文，内容涉及如何基于火星车数据在地球上模拟火星环境，以及如何处理关于火星化学组成的基础性不确定性问题（based on rover data,and how to handle fundamental uncertainties about the chemistry of Mars）。

https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.04.24.719001v2

我是先锋实验室的董事会成员，多年来一直在关注这项工作的进展。这次，我与先锋实验室联合创始人兼首席执行官埃里卡·德贝内迪克蒂斯（Erika DeBenedictis）坐下来聊了聊，问了几个如果我是第一次接触这项工作时最想了解的问题。

汤姆：我们为什么要在意火星上的“土”？

埃里卡：火星上的土，或者叫“风化层”（regolith），是我们在机器人任务和载人任务中所需要的各种有用材料最丰富的来源之一。构成生命的许多关键元素，在火星的土壤中都存在。

弄清楚土里有什么很重要，我们才能知道如何利用这些资源，从农业到采矿都用得上。火星离地球太远了，我们一定要“就地取材”，尽可能依赖当地资源，不可能什么都从地球上带过去。

汤姆：我们怎么知道火星的土里有什么？

埃里卡：从来没有人把火星土带回地球，来测量它里面究竟有什么！这确实让事情变得困难。

不过，火星车已经对火星土进行了非常精细的化学测量，因此我们并不是完全一无所知。我们还可以研究已经降落在地球上的火星陨石（Martian meteorites）的化学成分，以及地球上那些在矿物学层面（mineralogical level）看起来与火星岩石相似的岩石。

汤姆：你们刚发了一篇论文，讲的是什么？

埃里卡：我们刚发了一篇论文，讲的是怎么在地球的实验室里模拟火星土壤里跟生物相关的化学成分。我们把这个配方叫做“限定火星培养基”（Defined Mars Media），它的设计目标是精确模拟往大约一升水里加一汤匙左右火星土之后的化学成分，以及这种环境有没有具备支撑生命所需的所有化学要素（it’s designed to accurately simulate the chemical composition of adding a~tablespoon of Mars dirt to a~liter of water,and whether it has all the chemical essentials necessary to support life）。你可以把“限定火星培养基”理解成火星土的“营养标签”（nutrition label）。

（艺术示意图）你可以把“限定火星培养基”理解为火星土的“营养标签”。里面既有氮、磷这类对生物至关重要的营养元素，也有高氯酸盐（perchlorate）和铬（chromium）这类毒素。

汤姆：那火星土里到底有什么？

埃里卡：事实证明，火星土实际上充满了营养物质（full of nutrients）！

磷和氮都存在，而且含量相当丰富。但与此同时，火星土中也充满了潜在的毒性物质，例如盐和高氯酸盐（perchlorate）。

高氯酸盐尤其有意思，从化学性质上说，它和漂白剂（bleach）有些相似。你可能会在家里使用漂白剂来给东西消毒，因为它非常擅长杀死各种东西！真正的挑战在于：找到那些能够利用这些营养物质、同时又能够耐受这些毒性物质的生物（finding organisms that can make use of the nutrients while tolerating the toxins）。

汤姆：地球上的生物能在火星上生长吗（Could Earth organisms grow on Mars）？

埃里卡：能，但有限制。地球上任何一种生物要想直接在火星表面自己生长，可能性极低，那个环境太极端了。但如果有人类稍微帮一把，或许可以。

延伸阅读：极端生物技术：利用机器智能，学习整个生命树的超能力。

在这篇论文里，我们展示了某些地球微生物在带搅拌和加热的容器里培养时，可以完全从我们模拟的火星土里获取营养。比如，钩虫贪铜菌（Cupriavidus necator，一种常见的土壤细菌），就能直接利用火星土里的营养生长。此前我们并不能确定这是否真的可行！这个结果很酷，对太空探索来说是个好消息。

但并非所有地球微生物都行。有的扛不住火星土里的毒素，比如自养黄色杆菌（Xanthobacter autotrophicus）就被淘汰了；有的用不了火星土里那种形态的氮，比如大肠杆菌（E.coli）也不行；有的需要火星土里没有的复杂维生素，比如耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）也不行。所有这些生物未来都可能发挥作用，但它们不能成为第一批接触火星土的生物。

汤姆：那……能种土豆吗？

埃里卡：哈！土豆可能种得出来，但吃了会死人！

在《火星救援》（The Martian）里，马克·沃特尼（Mark Watney）靠种土豆活了下来，家喻户晓。但现实中行不通。问题还是出在我刚才提到的高氯酸盐。你要真在火星土里种土豆，土豆上带的高氯酸盐会毒害你的甲状腺（thyroid）。

在火星上搞农业是有可能的，但得先去除毒素，再加进去大量的有机物(Agriculture is probably possible on Mars,but you need to remediate the toxins first,and add a lot of organic matter)。我们现在正在工程化改造一些微生物，让它们来帮忙做这件事，敬请期待！

汤姆：你们有多大把握，火星土里确实有固定态氮（fixed nitrogen）？

埃里卡：这个问题特别关键，必须搞清楚。氮对植物生长至关重要，地球上用的化肥主要就是固定态氮—也就是氮跟其他原子结合在一起，变成生物更容易利用的形态，比直接利用氮气（nitrogen gas）要容易。是的，火星土里绝对有固定态氮。实际上，按地球的标准来看，火星土相当于提前施过肥了(by Earth standards,Mars dirt is pre-fertilized)！

不过有意思的是，相关文献在这个问题上不太好解读。为什么会让人困惑呢？2008年，凤凰号着陆器（Phoenix Lander）首次（也是目前唯一一次）测量了火星土掺水之后的化学成分。他们本来是想看土里有没有固定态氮。结果出乎所有人意料，他们发现了高氯酸盐！而且含量很高，凤凰号上的传感器被高氯酸盐淹没了，根本“看”不到氮到底存不存在。后来到了2015年，好奇号火星车（Curiosity rover）用了另一种测量方式，这种方式不会被高氯酸盐干扰，重新测了火星土里的氮，这次就找到了。好奇号在好几个地点、测了不同类型的土，都证实了固定态氮是存在的，而且分布很广。

汤姆：火星上不同地方的土，成分会不会不一样？

埃里卡：会。火星不同地点的土壤很可能确实存在差异。火星地表最上方的一层覆盖着非常、非常细的尘埃。

人们认为，由于火星上持续不断的沙尘暴，这些尘埃在整个星球范围内可能相当均一。因此，无论你去到火星的什么地方，这些“细颗粒”（fines）很可能都是火星土中一种相对可靠、普遍存在的组成部分。

但在这些尘埃之下，是更大的颗粒，它们的组成可能会因为当地的岩石和地质条件而产生更大的差异。类似地，宏观尺度上的岩石可能更加多样。比如，如果我们想开采铁，也许就应该寻找火星上岩石和土壤中铁含量更高的区域。

汤姆：那我们怎么应对不同地点土壤差异的问题？

埃里卡：我们其实根本不知道火星上不同地方的土到底差多少。我们能做的就是直接测,这种差异对生物生长到底有没有影响（What we can do is just measure whether or not it would matter for growing things）！

我们论文里提出的这个“配方”有一个很大的好处，就是你可以很轻松地测试成分变化对生物生长的影响。我们做了一系列实验，把模拟土里每种成分都系统地调高或调低10倍、100倍，看看到底会怎样。目前来看，只要还有一定量的氮和磷存在，微生物的生长对于火星土成分较大幅度的变化，可能都还挺“皮实”（robust）的。

研究这种“皮实性”可能是拥有一种明确的“限定培养基”最大的价值（Studying this robustness is probably the biggest unlock of having a defined media），也是我们这篇论文最大的贡献。现在任何人都可以针对某个具体的火星地点，或者自己关心的某种成分，去做这些“鲁棒性”（robustness）测试了！

汤姆：太空资源技术公司还卖别的“火星风化层模拟物”（Mars regolith simulant），跟你们的有什么不同？

埃里卡：是的！SRT大概是空间科学界最大的模拟火星土供应商了。如果你需要购买一卡车“火星土”来测试火星车的轮胎，那么SRT会负责寻找与火星岩石“相似”的地球岩石，将它们研磨成合适的颗粒大小，然后完成物流运输，把它们送到你手中。

这些模拟物的设计重点，是模拟火星土的整体物理性质（bulk properties），例如颗粒大小，而不是化学组成。而我们的配方则主要是为了模拟化学组成。

汤姆：你们的配方里还提供了一个微量元素（trace element）的配比。微量元素是什么？为什么重要？

埃里卡：生物质（biomass）大部分是由水、碳、氮、磷、硫组成的。你把任何生物磨碎了去看它的原子组成，主要就是这些东西。

但除此之外，还有一长串微量元素，根据生物种类的不同，你可能只需要一丁点。我们对铁在血液里输送氧气都比较熟悉。再举个例子，有些生物体的特定酶需要极微量的钼（molybdenum）才能工作，那些就是“微量元素”。

我们最初配“限定火星培养基”的时候只放了“常量元素”（macros）：氮、磷、硫。光靠这些就能做很多科学实验了。

但后来我们尝试用这个限定培养基做长期的适应性进化（adaptive evolution）实验，结果几周之后全死了—因为微生物缺乏微量元素！所以有些科学研究就需要你额外加上微量元素（trace elements）。

汤姆：那你们配方里的微量元素是怎么确定的？

埃里卡：这个很难，因为火星车并没有测量过大多数微量元素。我们知道它们存在，但不知道含量有多少。我们想过直接用市面上的微量元素混合物，但那些是为优化微生物生长设计的，跟我们的目标不一样。

所以最后我们选择了另一条路—测量了地球上的真实岩石，用这些数据来制定配方。这是我们目前对火星岩石情况的最佳猜测。但地球岩石跟火星岩石到底有多像，这本身就是美国宇航局（NASA）行星科学部每年花20亿美元在研究的基本问题。我们现在只能做到这个程度。跟很多研究人员一样，我们也在热切等待火星车传回更多数据，或者有朝一日能等到真实的火星土样本被带回来！

汤姆：接下来有什么计划？

埃里卡：在这篇论文里，我们展示了生物可以完全依靠火星上的土、水和空气里的营养物质生长。而且，选对了生物，生长过程对于土壤成分较明显的变化也有不错的稳健性（with the right organism,growth can be robust to pretty substantial variations in dirt composition）。

我们很快还会再发一份报告，更进一步：一旦你让生物长起来了，你能让它们制造什么？我们正在用生物学手段把土、水和空气转化成建造材料（once you can grow living things,what can you have them make?We’re using biology to convert dirt,water,and air into building materials）。敬请期待，下一份报告很快就要出来了！