我們怎麼才能在火星上活下來？

作者：李慶林（中國科學院青島生物能源與過程研究所）

文章來源於中國科普博覽大家族科學大院（ID：kexuedayuan）

由於與地球的諸多特徵相似，火星一直被認為是未來人類移民外太空的首選目的地。

要想移民火星，可遠不止從地球飛到火星那麼簡單，人類想實現半永久或者永久定居火星，而不僅僅是為了火星一日遊，建設火星基地並且保證人們更好的在火星上生存是是否能移民火星的關鍵所在。

現在，我們生活中的衣食住行其實都離不開種類繁多的化學品，未來移民火星之後更是如此，跨星球運輸物資固然是可以，但是時效低、成本高的問題迫使人們需要尋找一勞永逸的解決方法。

既然如此，不如，我們在火星上建一座化工廠吧！

火星基地暢想圖（圖片來源：Space X）

火星化工廠：挖掘原料

地球上的化工廠正是以石油、煤炭的化石資源為原材料，通過繁多流程工藝的加工，輔助以物理和化學手段，才能得到一系列與我們生產生活密切相關的終端產品，諸如塑料、藥物、燃料，包括現在全球供不應求的口罩。

化石能源與我們的生活（圖片來源：baidu圖庫）

所以，要想在火星建設化工廠，第一步就先去火星挖礦吧！

等等，在有挖礦這個想法之前，我想告訴你的是，據目前的科學報導，並無證據表明火星曾經有過植物或者動物等生命形式存在。目前科學界普遍認為，化石資源是由於古代海洋或湖泊中的動物和微生物的遺體在地層中經過漫長時間的演化形成的。因此，火星底下並不見得一定有礦。

那在火星建設化工廠的計劃難道還沒有開始就要宣告失敗了嗎？

火星目前沒有發現存在石油、煤炭等資源，但是火星真的一無所有嗎？我們來看看火星有什麼？

科學界普遍認為火星星體表面有土壤，表層下有冰，並且存在稀薄的大氣層，此外，1969年伯克利大學的Pimentel教授，通過紅外探測器，發現火星大氣中含有96%的CO2和4%的N2。如果我們真的要在火星上建設化工廠，似乎唯一的碳物質CO2也就成了化工廠原料的不二選擇，即通過CO2製備高分子材料、燃料、藥品等生活必須的化學品。

這構想聽起來似乎很玄幻，但卻並不是天方夜譚，事實上，通過人工光合作用，這一切在未來都是可以實現的！

液態陽光：人工光合作用系統

無論人類未來移民哪一個星球，怎樣更好的活下來都尤為重要，這就離不開高分子材料、藥物、燃料和肥料等化學品。因此在2003年，美國能源部在伯克利國家實驗室啟動了「太陽神計劃」，旨在通過跟大自然學習構造光合作用系統，利用半導體和催化劑，把CO2轉化成各種化學製品。

勞倫斯-伯克利國家實驗室 （圖片來源：google地圖）

近年來，來自伯克利國家實驗室的楊培東院士團隊，2015年利用半導體和微生物就成功構建了這樣第一個集成系統，將這一設想變成了現實。就在近日，他們推出了更為優秀的「2.0 版本」，即利用矽納米線捕獲太陽光子，並產生光生電子將其提供給附著的微生物。最後，微生物吸收二氧化碳，進行化學反應，並產出乙酸鹽，連續一周實現高達3.6%的吸收太陽能轉化效率。

這一人工光合作用系統，其實是模仿植物的光合作用，將太陽能轉化為化學能。植物的光合作用是利用吸收的太陽光，將大氣中的CO2和水，轉化為糖類等有機物，供植物進行各種代謝活動，事實上我們使用的煤、石油和天然氣等也是來自於原始植物的能量積累。

自然光合作用與人工光合作用對比（圖片來源：Nat Commun. 2018, 9, 5003）

人工光合作用系統主要由兩部分組成，半導體和微生物工程細菌。半導體負責吸收光能，將其轉化為電能，具有特定功能的工程細菌利用這種能量，將吸收的CO2合成為特定的有機物（將電能轉化為了化學能）。目前，人工光合作用對太陽能的利用效率可以達到8—10%，相比於植物的光合作用效率提高了約20倍，此外，其生成的產物並不會像植物一樣被細菌代謝掉，從而保證了更高的產物產率。

那麼可以將太陽能直接轉化為化學能的人工光合作用系統究竟是怎麼工作的呢？

潘多拉寶盒：生產醋酸的法寶

以醋酸的生產為例，醋酸(CH3COOH)，學名乙酸，是含有兩個碳的重要的有機化學品，也是食醋的主要成分。在人工光合作用系統中，研究者選擇厭氧的熱醋穆爾氏菌作主角，並開發出金納米簇無機材料進行光的吸收。

由於代謝過程主要在細胞質中進行，為了減少氧化還原中間產物在跨膜運輸中消耗過多的能量，研究者通過半胱氨酸對金納米簇進行修飾，並將其注入到熱醋穆爾氏菌細胞質中，高度生物兼容性的金納米簇在熱醋穆爾氏菌體內能夠長期友好相處，不僅不會降低其活性，反而還大幅提高光的量子利用效率。將被注入金納米簇的工程菌置於特定的培養液中，保持純CO2的無氧氣氛，給予一定強度的光照。一切準備就緒，一齣好戲才算真正開始。

△a) 熱醋穆爾氏菌/金納米簇混合系統流程圖；b) 熱醋穆爾氏菌細菌工作示意圖 (圖片來源：Nat Nanotechnol. 2018, 13, 900-905)

可見光中的光子通過照射進入熱醋穆爾氏菌細胞質中的金納米簇，將其激發產生一個電子(e-)和一個空穴(h+)，為了防止產生的電子和空穴再次結合，金納米簇外包裹的半胱氨酸(Cys)就起到作用了，半胱氨酸被空穴氧化生成胱氨酸(CySS)，在這個過程中成功消耗掉金納米簇中的空穴。而被激發產生的電子和吸收的CO2在一類酶中間體中相遇，通過乙醯輔酶A路徑（Wood-Ljungdahl路徑主要存在於厭氧細菌和古細菌中，依靠 CO/CO2和H2為碳源和能源用於合成代謝和分解代謝），成功合成醋酸分子產物，並釋放到培養液中，並被收集利用。

乙醯輔酶A路徑人工光合作用反應過程

研究醋酸的人工光合作用合成，不僅僅是因為其結構簡單，研究這一合成過程的初衷是因為乙酸在化工產業中的重要應用。舉個例子，以醋酸為原材料，我們可以生產丁醇，丁醇由於其低的飽和蒸氣壓便於進行液體管道運輸，被稱為未來可以替代石油的新型燃料；此外，利用醋酸，我們還可以利用聚合反應合成高分子材料，合成手性分子如青蒿素等藥物中間體。而這些都將是我們未來在火星上生存下來所必不可少的化學品。

展望：未來外太空移民

在我們成功打開人工光合作用合成化學品這一潘多拉寶盒之後，未來更多的化學品也將會被源源不斷的被合成出來。比如，火星上還有4%的氮氣，如果未來開發出新的人工光合作用集成系統，將氮氣合成氨化合物，就可以為移民火星提供充裕的肥料用於農作物的種植了。

影片中溫室蔬菜種植（圖片來源：影片《火星救援》）

否則，未來移民火星的時候，恐怕我們只能和《火星救援》中的男主一樣，用有味道的有機肥，種植瓜果蔬菜了……

參考文獻:

[1] Peidong Yang, et.al. Bacteria photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar fuel production. Nat Nanotechnol. 2018, 13, 900-905.

[2] Peidong Yang, et.al. Close-Packed nanowire-bacteria hybrids for efficient solar-driven CO2 fixation. Joule. 2020, 4, 1-12.

[3] Gengfeng Zheng, et.al. Efficientsolar-driven electrocatalytic CO2 reduction in aredox-medium-assisted system. Nat Commun. 2018, 9, 5003.