如果去火星种菜,它可能是先行者
发布时间:2021-07-15
出品:科普中国
制作:古明地恋
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  截至78日,“祝融号”火星车已在火星表面工作了54个火星日,行驶里程超过300,并拍摄到了大量珍贵的火星地形地貌照片。看到“祝融”的成绩,网友又激动又好奇:“祝融”,快看看火星上能不能种菜?

  火星上可以种菜吗?现有的研究表明,普通的菜很难,但这种“菜”或许可以。

过去的火星或许能种菜?

  你对火星的印象是什么?

  红土沙漠覆盖,天气干燥寒冷,彷佛一片生命禁地?据目前的研究来看,这个印象没错。

  但约在40多亿年前,火星确确实实是一个拥有孕育生命的适宜环境的星球。

  

  火星上河流的遗迹:被流水冲刷磨圆的卵石。

  (图片来源:ZME Science)

  在那时,火星上曾经有过湖泊和河流,留下了多诸如河床、冰川遗迹、鹅卵石等地表水的证据,最近还发现了约为108-48百万年的沉积岩。这说明火星曾是一颗不折不扣的流水行星,这为孕育生命提供了可能。

  

  40亿年前的火星处于“流水时代”,有浓密的大气层和地表水。

  (图片来源:NASA's Mars Exploration Program)

  与火星的流水时代同期,地球上的海洋中,生命诞生了。38亿年前,地球正处于火山不断喷发,空气中充满着高浓度二氧化碳、二氧化硫的艰难时期,与火星几乎相同。而从那时开始,原始的生命就在热汤般的海洋中出现了萌芽蓝藻便是这一锅热汤”中的最早成员之一。11个类群的丝状蓝藻化石被发现于太古代早期的瓦拉沃纳生物群,距今已有33-35亿年,比当时已知的任何原核生物化石都要古老得多。它们开创了光合自养系统,利用阳光制造有机物,自此构成了生物链的基础;它们还与绿色植物共生,形成了植物的叶绿体,让地球上出现了千姿百态的植物,把地球变成了能种菜的星球。

  

  显微镜下的蓝藻,人们印象中的大多数蓝藻都生活在水中。

  (图片来源:Niwot Ridge LTER)

  既然在相似的条件下,蓝藻能够出现在地球上,那么相似的生命是不是可以在火星起源、繁衍呢?又或者,如果将地球上的生命带到那时的火星的话,火星会不会像现在的地球一样生机勃勃,千菜斗艳?毕竟接种到片麻岩中的蓝藻细胞在宇宙射线中能够存活22个月。

  但这些都只能停留于我们的好奇之中因为火星很快发生了变化。

冷却的火星,失去了种菜的能力

  然而,火星却因为体积过小,内部冷却过快,并缺乏磁场(至少在35亿年前可能已经消失),太阳高能质子以及银河系和太阳的高能宇宙射线可以横冲直撞地冲击火星的表面和次表面,吹走火星大气,并杀死星球上的生命。

  火星上的大气层不断减少,温室效应随之下降,流水也悉数冻结。在38-31亿年前,火星上还有着厚冰覆盖的湖泊;31-15 亿年前,在多孔岩石的内部还存留着一些液态水;而从15亿年开始,火星地表的液态水就全部消失了。

  从那时开始,火星上可能存在过的生命也全部休眠在射线辐射之下被破坏,死亡和降解。

  时至今日,火星上已经完全没有水流,成了一颗死去的星球。

蓝藻请求一战

  就现阶段研究来说,火星上没有水,而且环境恶劣,普通的菜没法生存,但地球上有一些藻类或许可以在火星生存扎根,比如,蓝藻。

  在地球上,约十亿年前,蓝藻开始登上陆地。它们被认为是最早移居到陆地的生物。据推测,在前寒武纪,海洋潮间带的蓝藻因潮涨、潮枯,不时暴露在海水蒸发后剩余的高盐度的盐水液滴中,甚至完全裸露在空气里,促使它演化出许多适应高渗透压和干燥的特征,并获得了向干燥的陆地环境迁移的能力。

  

  我们最熟悉的陆生蓝藻发菜(发状念珠藻Nostoc flagelliforme),它们是荒漠环境下十分重要的植物。在过去,开采发菜的行为造成了严重的生态损伤,导致大片草场退化和土地荒漠化。

  (图片来源:Wiley Online Library)

  失水对于大多数生物都是致命的,但某些蓝藻可以进入一种称为“脱水休眠”的无代谢状态来抵御失水的影响。能够在极端环境中生存的蓝藻主要由“拟甲色球藻(Chroococcidiopsis Geitler 1933)”和一些相关的属组成。它们生活在炎热或寒冷的沙漠中,每年仅能湿润几个小时,并在大部分时间内保持干燥或冰冻状态,但它们仍能适应如此缺水的环境,顽强生存。

  

  贴附在陆地岩石上的拟甲色球藻。

  (图片来源:ResearchGate)

  它们适应脱水作用的第一个关键机制,便是产生大量富含多糖的包膜。胞外多糖可以像海绵般结合水分,稳定酶和其他分子,显著促进蓝藻的脱水耐受性。

  

  蓝藻的胞外多糖包膜(箭头所指区域),可以储存水分保护自身。

  (图片来源:ResearchGate)

  同时,含有多糖的包膜在吸水时构成了一层黏液,使蓝藻能够附着在岩石表面、粘结土壤形成结壳、或附着在岩石表面凹凸不平的地方,以及半透明的多孔岩石和石缝里。在这些生境下,水分流失可能会受到土壤硬壳或表面半透明石头的阻碍,以保持水分足够长的时间来维持生存。

  它们通常能够承受夏季平均57°C的高地表温度,峰值超过60°C拥有叶绿素-f的蓝藻更可利用其它植物无法利用的近红外光,使蓝藻可以在可深达岩表下数毫米的黑暗环境中进行光合作用。

  

  生活在多孔或半透明岩石内部的蓝藻(绿色部分),可以在极端环境下存活。

  (图片来源:参考文献[2])

  胞外多糖的产生还可能与蓝藻细胞质中积累的海藻糖起协同作用:通过代替水分子的位置,海藻糖可以阻止细胞膜失水破坏,并稳定干燥的蛋白质,同时增大胞内液的渗透压来抵消由冰冻和高盐度引起的渗透压力。这让蓝藻可以在岩石矿床中定居,利用岩石潮解:当相对湿度足够高时,岩石晶体与吸收的大气中水蒸汽形成饱和盐水滴,使细胞恢复代谢活动,这对于植物来说,都是很难拥有的超能力。

  

  陆生蓝藻形成的植物结皮(ij),改造沙漠的环境。

  (图片来源:ScienceDirect.com)

耐干旱,抗辐射,种菜先锋非你不可

  除了耐受干燥以外,陆生蓝藻同样具有对高剂量的紫外线和电离辐射的抵抗能力,这可以部分解释为它们的耐干燥机制的副产物;例如,由于干燥和辐射都会引起活性氧损伤,因此减轻干燥损害的进化成果同时可能被用作应对辐射。

  在实验室模拟下,干燥的单细胞层拟甲色球藻在130kJ/m2的模拟火星紫外线通量下存活下来。这种抗性也归因于胞外多糖的存在;除此以外,它们合成的保护性色素也提供了对紫外线含量增加的保护作用。

  同时,这些蓝藻能够形成厚壁孢子,进入休眠状态,通过避免基因组片段化和限制活性氧的产生保持DNA完整性,并在重新湿润时修复干燥造成的损伤。这让它们能够抵抗高达15kgy的电离辐射,并有可能在火星表面承受相当于200000年的辐射环境而不失活。

  蓝藻通过各种途径,如合成保护蛋白和色素、修复DNA损伤等应对辐射。

  (图片来源:ResearchGate

  总之,蓝藻能够在接近黑暗的环境中进行光合作用,具有高度的抗脱水性和抗辐射性,对极端温度状况和对极高太阳辐射具有耐受性,能够耐受干燥、冷冻和盐度引起的渗透威胁

  综合这些特点,蓝藻似乎具备了在太空中生存的所有先决条件,这也让它们有望成为未来载人火星任务未来生命支持系统的组成部分。

  如果蓝藻能在火星上生长,它们将成为开疆扩土的先锋战士,它们能产生氧气,改造火星的岩石形成土壤,为种菜提供土地,最终为依靠火星资源维持生命的进程开辟道路。

  

  艺术家对火星地球化的构想,蓝藻或将会是改造火星的先锋。

  (图片来源:Wikipedia

  从2016科学家们已经开始进行基于蓝藻的生命支持系统开发工作。或许有一天,这些能够在恶劣情况下生存的蓝藻可以乘着我们的飞船飞向太空,在火星上繁衍生息,将那里变成人类新的家园。

  参考文献:

  [1] 尚金龙. 陆生蓝藻发菜环境适应机制研究[D].华中师范大学,2017.

  [2] Reitner, Joachim; Thiel, Volker (2011). [Encyclopedia of Earth Sciences Series] Encyclopedia of Geobiology || Chroococcidiopsis. , 10.1007/978-1-4020-9212-1(Chapter 56), 273–274.

  [3] The ecology of cyanobacteria: their diversity in time and space[M]. Springer Science & Business Media, 2007.

  [4] Wynn-Williams, D. David. "Cyanobacteria in deserts—life at the limit?." The ecology of cyanobacteria. Springer, Dordrecht, 2000. 341-366.

  [5] Schirrmeister B E, Sanchez-Baracaldo P, Wacey D. Cyanobacterial evolution during the Precambrian[J]. International Journal of Astrobiology, 2016, 15(3): 187-204.

  [6] Billi D, Baqué M, Verseux C, et al. Desert cyanobacteria: potential for space and Earth applications[M]//Adaption of microbial life to environmental extremes. Springer, Cham, 2017: 133-146.

  [7] Shestakov S V, Karbysheva E A. The origin and evolution of cyanobacteria[J]. Biology Bulletin Reviews, 2017, 7(4): 259-272.

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