合成生物學(xué)能將火星打造成宜居家園嗎

◎科技日?qǐng)?bào)記者 劉 霞

火星這顆太陽(yáng)系里最像地球的紅色星球，以其神秘的面貌和類地特征吸引著世人的關(guān)注。它雖被稱為地球的“孿生兄弟”，卻因嚴(yán)酷的自然環(huán)境，目前并不適宜人類直接居住。

然而，科學(xué)家將宇航員送上火星的宏偉愿景愈發(fā)堅(jiān)定，他們探索并試圖改造火星的腳步也并未停歇。澳大利亞對(duì)話網(wǎng)站在近日?qǐng)?bào)道中指出，科學(xué)家或許可以通過合成生物學(xué)這一前沿科技改變火星，讓這顆荒蕪的星球有朝一日能變成人類的新家園。

將生命系統(tǒng)工程化，支撐技術(shù)突飛猛進(jìn)

合成生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它將生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)融合在一起，旨在構(gòu)建新型的生物系統(tǒng)或制造人們需要的生物產(chǎn)品。

英國(guó)愛丁堡大學(xué)生物學(xué)家杰米·戴維斯解釋說，合成生物學(xué)的本質(zhì)，在于運(yùn)用基因工程等生物技術(shù)，或改造現(xiàn)有生物體為我所用，或創(chuàng)造新的有機(jī)體。簡(jiǎn)而言之，就是“將生命系統(tǒng)工程化的技術(shù)”。

支撐這一領(lǐng)域的基因編輯和基因測(cè)序等技術(shù)正突飛猛進(jìn)。例如，贏得諾貝爾獎(jiǎng)的“基因魔剪”CRISPR/Cas9技術(shù)，讓基因編輯變得更精準(zhǔn)、快捷和經(jīng)濟(jì)。英國(guó)牛津納米孔技術(shù)公司研發(fā)的MinION手持設(shè)備，讓NASA宇航員能在國(guó)際空間站對(duì)微生物基因組進(jìn)行測(cè)序。

NASA表示，MinION技術(shù)擁有巨大潛力，可以在太空中識(shí)別微生物、監(jiān)測(cè)人類與微生物變化，甚至有助于檢測(cè)宇宙中其他基于DNA形式的外星生命。該技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確了解生物體的結(jié)構(gòu)和序列，也為更改生物體的序列和結(jié)構(gòu)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在這些尖端技術(shù)的助推下，合成生物學(xué)逐漸走上科學(xué)舞臺(tái)中央。合成生物學(xué)先驅(qū)、美國(guó)生物工程師德魯·恩迪認(rèn)為，合成生物學(xué)是足以重塑科學(xué)、社會(huì)和文化的變革力量。在他看來，這項(xiàng)技術(shù)將成為解決糧食危機(jī)、攻克疾病、治理污染的革命性利器。

咨詢公司麥肯錫2020年曾預(yù)測(cè)，在未來10—20年內(nèi)，由合成生物學(xué)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值將高達(dá)4萬億美元，全球60%的產(chǎn)品可以用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)或再利用。

美國(guó)火星學(xué)會(huì)、NASA和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)認(rèn)為，合成生物學(xué)領(lǐng)域的突破為太空探索注入了澎湃動(dòng)力和全新可能。從改造火星環(huán)境到建立火星基地，合成生物學(xué)有望為人類的星際夢(mèng)想鋪設(shè)通途。

從土壤到大氣，多條路徑改造火星

具體如何實(shí)施呢？英國(guó)曼徹斯特城市大學(xué)科學(xué)哲學(xué)副教授塞繆爾·麥基提出了幾個(gè)充滿想象力的思路。

首先，人們可以讓微生物吞噬火星上的有害輻射。在地球上，某些細(xì)菌和古細(xì)菌早已展現(xiàn)出驚人的生存能力：棲熱水生菌在沸泉中怡然自得，嗜冷微生物則在苦寒之地生生不息；更令人驚奇的是，一些能夠吸收輻射和有毒物質(zhì)的嗜極性微生物，正在地球上的石油泄漏區(qū)和放射性污染場(chǎng)地大顯身手。水熊蟲用5億年進(jìn)化史證明，生命的韌性遠(yuǎn)超想象，生存智慧可以突破物理極限。這些“極端環(huán)境專家”或許可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出耐寒、耐高輻射的微生物，然后在火星上幫助人類抵御極端環(huán)境。

接下來，在改造微生物的同時(shí)凈化火星土壤。火星土壤富含對(duì)人類有毒的高氯酸鹽，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，反硝化菌、硫酸鹽還原菌等某些厭氧微生物，竟然可以把高氯酸鹽當(dāng)“食物”大快朵頤，并通過自身獨(dú)特的代謝途徑，將其轉(zhuǎn)化為無害的氯離子。早在2010年，NASA艾姆斯研究中心就啟動(dòng)了太空合成生物學(xué)研究項(xiàng)目，其中之一就是研究如何讓一些細(xì)菌變身為“土壤清潔工”，來處理火星土壤中的高氯酸鹽。

更令人振奮的是，微生物或許還能重塑火星大氣。古老的地球上，藍(lán)藻繁盛，它們通過增加氧氣含量，改變了地球大氣層的成分，為人類登場(chǎng)搭建了舞臺(tái)。火星上大氣極其稀薄，主要由二氧化碳構(gòu)成。從理論上講，科學(xué)家可以設(shè)計(jì)出能夠在火星環(huán)境中生存并釋放出氧氣和氮?dú)獾奈⑸铩?/p>

此外，火星目前的溫度對(duì)于人類來說太冷了，其平均溫度約為-27℃。如何使火星表面變暖呢？一個(gè)設(shè)想是在其太空軌道上安裝反光鏡，加熱火星并融化其冰層。但這一階段據(jù)說至少需要200年，合成生物學(xué)從理論上來說可以大大加快這一進(jìn)程。早在2019年科學(xué)家就提出，利用合成生物學(xué)設(shè)計(jì)微生物，使其能夠在火星上產(chǎn)生溫室氣體，通過溫室效應(yīng)來提升火星溫度。

可能導(dǎo)致意外后果，仍需考慮生態(tài)影響

基因工程和微生物研究領(lǐng)域的突破，或許能幫助人類在火星上生存。然而，改造火星環(huán)境絕非易事，微生物改造工程涉及的技術(shù)目前很多只是“紙上談兵”，具體實(shí)施方面也面臨諸多困難。

合成生物學(xué)平臺(tái)雖有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如自我復(fù)制，可靈活生產(chǎn)食物、材料及特殊化合物，但在火星低重力環(huán)境下，生物反應(yīng)器如何運(yùn)轉(zhuǎn)？太空輻射將給微生物帶來何種影響？這些問題都需要科學(xué)家深入探索。

更值得深思的是，將工程微生物引入火星生態(tài)系統(tǒng)，可能導(dǎo)致意外后果，例如破壞火星原本可能擁有的生命形式。

恩迪認(rèn)為，科學(xué)家應(yīng)該就相關(guān)問題進(jìn)行公開討論，如將合成生物引入火星可能帶來的潛在生態(tài)影響，此類行動(dòng)應(yīng)該遵循的準(zhǔn)則等，這對(duì)于未來的火星任務(wù)至關(guān)重要。