在火星上 Garni 隕石坑的墻壁上可以看到反復(fù)出現(xiàn)的坡線 NASA

在2002年美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的一場(chǎng)天體生物學(xué)會(huì)議上，“循水尋生命”的口號(hào)應(yīng)運(yùn)而生。時(shí)至今日，科學(xué)家仍在爭(zhēng)論這“水”應(yīng)是咸水、淡水還是介于兩者之間，但不妨礙“循水尋生命”這一信條仍是尋找地外生命的核心原則。

如今的天體生物學(xué)家和天文學(xué)家擁有更靈敏的望遠(yuǎn)鏡和分析手段，能夠研究眾多系外行星的大氣層。他們的目標(biāo)是探測(cè)潛在的一些生物標(biāo)志物，就目前所知，這些標(biāo)志物由生命活動(dòng)形成的化學(xué)物質(zhì)組合。盡管“生命”本身的定義依然模糊，但無(wú)論候選生物標(biāo)志物列表如何復(fù)雜，地外水存在的線索仍能讓科學(xué)家和科幻作家的心跳加速。

但如果我們想要的不僅是生命呢？如果人類想擴(kuò)展家園的范圍呢？畢竟，在或多或少類似地球的行星上建立自給自足的殖民地，早已是科幻作品的經(jīng)典設(shè)定。

若要探討此類殖民地的挑戰(zhàn)與成功路徑，我們必須先思考一個(gè)看似平凡的事物：土豆。

電影《火星救援（The Martian）》劇照

以安迪·威爾的暢銷小說(shuō)《火星救援》為例。宇航員馬克·沃特尼在事故中被推定死亡，獨(dú)自困于火星科考站。面對(duì)日益減少的補(bǔ)給和救援無(wú)望的處境，他依靠小說(shuō)中第二位無(wú)名英雄——土豆——活了下來(lái)。通過精心種植土豆，沃特尼得以避免餓死。然而現(xiàn)實(shí)并不浪漫。小說(shuō)出版后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星表土富高氯酸鹽，這些毒素會(huì)在植物中累積（即便它們真能生長(zhǎng)）。這意味著種出的土豆將含有摧毀甲狀腺的劇毒。目前，在火星土壤上種植糧食并非良策，尤其是考慮到長(zhǎng)期、多代際殖民時(shí)，高氯酸鹽對(duì)胎兒神經(jīng)發(fā)育的危害更為致命。

但還有一個(gè)更大的問題：火星根本沒有土壤。

祝融號(hào)著陸區(qū)的火星地質(zhì)特征和巖石（圖片來(lái)源：國(guó)家航天局）

土壤魔法與微生物

土壤不僅是泥土與巖石，也不僅僅是金屬和礦物質(zhì)的組成。

在N.K.杰米辛（ N.K. Jemisin）的《破碎帝國(guó)（Broken Earth trilogy）》三部曲中，“地源者”能感知并操控巖石中的能量，通過魔法將人類與世界聯(lián)結(jié)。而在現(xiàn)實(shí)中，土壤同樣扮演著生命樞紐的角色。

若以魔法作喻：土壤是一個(gè)三相系統(tǒng)，包含固態(tài)（有機(jī)與無(wú)機(jī)物質(zhì)）、液態(tài)（水分）和氣態(tài)（孔隙中的氣體，即“土壤大氣”）。正如人類和其他生物擁有微生物組，土壤也有自己的微生物組——病毒、細(xì)菌、真菌、線蟲、昆蟲等。一克土壤中可能棲息著數(shù)十億生物，其中許多尚未被科學(xué)認(rèn)知。最新研究甚至推測(cè)，地球上一半以上的物種潛藏于土壤中。

地球的生機(jī)以我們常忽視的方式涌動(dòng)著。這種忽視可能代價(jià)巨大，因?yàn)槲覀兩踔敛恢雷约壕烤惯z漏了多少知識(shí)。

生物多樣建立在土壤的基礎(chǔ)之上。忽視土壤將導(dǎo)致嚴(yán)重后果：土壤生物多樣性對(duì)養(yǎng)分循環(huán)、水分保持、氣候變化下的生態(tài)韌性等關(guān)鍵功能至關(guān)重要，而這些功能直接或間接支撐著人類生存與可持續(xù)發(fā)展。

基于體寬大小的土壤動(dòng)物分類示意圖（圖片來(lái)源：中國(guó)土壤學(xué)會(huì)）

科學(xué)家將土壤生物多樣性視為生態(tài)系統(tǒng)健康的“礦井金絲雀”。然而，這只“金絲雀”難以追蹤，人類對(duì)地下生命宇宙的認(rèn)知至今仍存在大片盲區(qū)。已知的是，我們并未善待土壤。無(wú)論是農(nóng)藥、污染物徑流、微塑料、干旱還是土壤侵蝕，環(huán)境壓力正不斷加劇，損害土壤生物多樣性及依賴它的生態(tài)服務(wù)。而這些服務(wù)不僅關(guān)乎荒野——即便是城市中的小型綠地，土壤生態(tài)對(duì)維持人類健康與福祉同樣不可或缺。

那一勺蘊(yùn)含生命的土壤，蘊(yùn)藏著巨大的潛力：從生物勘探（尋找天然有用物質(zhì)）到生物工程（定向改造土壤微生物組）。例如，植物固然能將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量，但其根系也依賴土壤微生物組，即其根際中的細(xì)菌、病毒和真菌與根系形成復(fù)雜的交換網(wǎng)絡(luò)。調(diào)控根際生態(tài)，或?qū)⒊蔀闅夂蜻m應(yīng)性農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。我們甚至可以改造微生物，使其吞噬除草劑與污染物。

簡(jiǎn)言之，土壤支撐陸地生命，而健康的土壤本身就代表著生命。

小行星真菌與月球土壤

因此若想在太空建立支持生命的殖民地，我們需要土壤，并且必須是有生命的土壤。你或許認(rèn)為這是“先有雞還是先有蛋”的悖論，但生物學(xué)家清楚：蛋的出現(xiàn)遠(yuǎn)比雞更早。

電影《火星救援（The Martian）》劇照

那么，土壤的“蛋”是什么？如何在一顆荒蕪的星球上將其孵化為“雞”？更具體地說(shuō)，如何在沒有原生生命的外星環(huán)境中創(chuàng)造土壤？

拋開地質(zhì)學(xué)家的抗議，我們粗略勾勒土壤成分（暫不含微生物組）：約50%固體、25%液體、25%氣體。固體主要為礦物質(zhì)，要形成天然土壤，這些礦物質(zhì)不能以巨型巖石形態(tài)存在，我們有兩種選擇：

方法一：開采小行星礦物元素

通過在小行星上播種真菌來(lái)制作太空棲息地土壤的方法（圖片來(lái)源：

2021年NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念獎(jiǎng)（NIAC）的一項(xiàng)提案提出：在覆蓋防護(hù)層的小行星上播種真菌孢子。這些頑強(qiáng)真菌將萌發(fā)菌絲，利用酸和“細(xì)胞刀”穿透巖石裂縫，分解巖石并釋放礦物質(zhì)與金屬，啟動(dòng)將荒蕪巖石轉(zhuǎn)化為肥沃土壤的進(jìn)程。但別急著慶?！?022年一項(xiàng)研究用模擬小行星風(fēng)化層種植生菜、蘿卜和辣椒，發(fā)現(xiàn)即使土壤中包含磷、鉀等養(yǎng)分，植物仍生長(zhǎng)不良，需額外添加泥炭苔才行。

總之，小行星土壤仍需大量改良。不過，小行星土壤精煉廠倒是個(gè)絕妙的科幻設(shè)定。

方法二：利用行星風(fēng)化殘留物

在月球風(fēng)化層擬南芥的發(fā)芽和發(fā)育

2022年，科學(xué)家首次在阿波羅任務(wù)采集的月球風(fēng)化層中種植模式植物擬南芥，根據(jù)種植結(jié)果，科學(xué)家直言，月壤并非“良性基質(zhì)”。盡管植株表現(xiàn)出應(yīng)激反應(yīng)，生長(zhǎng)受阻，但希望猶存：地球經(jīng)驗(yàn)表明，人工土壤可通過添加園藝堆肥（甚至污水污泥）改善肥力?！痘鹦蔷仍分?，沃特尼也用“自制肥料”種土豆。模擬火星種植實(shí)驗(yàn)已證明，苜?？稍谀M火星土壤中生長(zhǎng)，并轉(zhuǎn)化為蘿卜、生菜的生物肥料。

所以，行星礦物碎屑遠(yuǎn)不足以構(gòu)成優(yōu)質(zhì)土壤。要將原始基質(zhì)轉(zhuǎn)化為真正土壤，我們需要“魔法成分”：微生物。

生物煉金術(shù)：細(xì)菌、真菌與地衣

前文提到的模擬火星種植實(shí)驗(yàn)未考慮高氯酸鹽毒性，因此在真實(shí)情況下，馬特·達(dá)蒙飾演的沃特尼活不過第一幕。即使集齊礦物質(zhì)、液體與氣體，若缺少微生物組，仍無(wú)法讓植物吸收養(yǎng)分或降解毒素。為此，我們需要自然界的煉金術(shù)士相助——細(xì)菌。

對(duì)火星殖民者而言，有個(gè)好消息：已知至少50種細(xì)菌能將高氯酸鹽還原為氯化物與水，而氯化物甚至可用于淡化火星冰層中的鹽水。此外，某些酵母和真菌對(duì)高氯酸鹽的耐受度超乎想象，為改造火星提供了更多生物工具。

地衣（圖片來(lái)源：維基百科）

這些煉金術(shù)士或許還聯(lián)合作戰(zhàn)。地衣作為真菌與藻類或藍(lán)藻的共生體，兼具雙方優(yōu)勢(shì)：既能像藻類般利用光能，又能像真菌般在極地、巖壁甚至太空生存。無(wú)怪乎科學(xué)家考慮用地衣作為火星拓荒先鋒。下次你抱怨地衣長(zhǎng)在磚墻上時(shí)，不妨想想它們的星際潛力。

借助生物技術(shù)，我們還能為這些煉金術(shù)士“升級(jí)”。具體方案因環(huán)境參數(shù)而異，但可以肯定：外星土壤的地球化改造絕非單一微生物能勝任。

但我們地球同樣需要這些技術(shù)。為應(yīng)對(duì)生態(tài)透支與氣候危機(jī)，科學(xué)家正設(shè)計(jì)能相互作用的合成生物體。一項(xiàng)研究聚焦生物土壤結(jié)皮（干旱生態(tài)系統(tǒng)中真菌、地衣、細(xì)菌與藻類構(gòu)成的表層土壤群落），其改造策略或可應(yīng)用于月球與火星。

后續(xù)研究提出多種地球化改造的生態(tài)策略：確保生物間直接/間接協(xié)作、使用“功能后自毀”生物、利用污水與其他廢棄物。對(duì)于大面積改造（如整顆行星），可能需要“微生物超循環(huán)”，通過互利閉環(huán)使不同物種互助復(fù)制。例如，某種細(xì)菌的代謝廢物成為其他菌類的養(yǎng)料。盡管需考慮寄生蟲與空間分布等問題，這類超循環(huán)曾被用于模擬地球早期生物圈，或?yàn)闊o(wú)生命星球注入生機(jī)。

當(dāng)這些合成微生物超循環(huán)開始扎根，火星、月球或其他天體的無(wú)生命土壤將逐漸蘇醒。隨后，蚯蚓（已證實(shí)能在月壤中促進(jìn)作物生長(zhǎng)）等大型生物將加入土壤群落，為植物乃至人類與其他動(dòng)物奠定基礎(chǔ)。

電影《沙丘（DUNE）》劇照

從《沙丘》的香料星球到《阿凡達(dá)》的靈魂之樹，科幻作品早已暗示：生命網(wǎng)絡(luò)才是宇宙中最強(qiáng)大的力量。本文雖為基于假設(shè)與零碎研究的推測(cè)性敘事，卻揭示了一個(gè)深層真相：人類必然嵌于由生態(tài)系統(tǒng)與其他生物構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)它們，即無(wú)我們。無(wú)論在地球還是異星，土壤及其生物多樣性都是支撐人類存續(xù)的關(guān)鍵。

當(dāng)我們仰望星空時(shí)，或許該先俯身觸摸泥土——那里藏著地球45億年的生存智慧，也書寫著人類能否成為“多星球物種”的終極答案。畢竟，一個(gè)連自家土壤都保護(hù)不好的文明，又如何配得上星辰大海的征途？

作者：楊雨鑫