移⺠⽕星?先把⾐服选好

来源: 科学艺术研究中⼼

发布日期: 2023-05-31 13:05:49

本文探讨了⽕星作为⼈类未来移民⽬标的可居住性,并介绍了细菌纤维素在太空探索中的潜在应⽤,包括⽣物废弃物管理、植物⽣长基质、太空服材料、建筑材料、太空药品的制备和包装、太空运输中的包装材料以及太空电池等。

⼈类对于太空有着⽆限的好奇⼼。闪烁的星⾠上是否也有⽣命?⼈类能否在新的星球⽣活?随着好奇,我们开启了探索新⽣存空间的时代。⽕星是运⾏轨迹离地球最近的⾏星,因为表⾯鲜红如萤⽕,让⼈捉摸不透,在中国古代被叫做“荧惑”。在西⽅,这颗神秘的星球也因为其表⾯的红⾊被冠以战神马尔斯(Mars)之名。

直到19世纪末,望远镜⾸次观测到了⽕星表⾯,⼈们才发现这颗星球看似热闹的红⾊表⾯只是氧化铁构成的尘埃,⽽在这层鲜红之下是荒芜⼀⽚。低温、低⽓压、⾼辐射、⾼⼆氧化碳的环境下没有发现⽣命存在的迹象。

随着⽕星探测的逐步深⼊,我们发现这颗星球是太阳系中与地球最相似的⾏星:有着昼夜和四季;有类似地球的固态岩⽯表⾯;有较厚的⼤⽓层;曾经有⽔,也可能曾有过⽣命;有着如同地球沉寂寒冷的早期形态,未来也可能孕育出⽣命。

现如今,神秘的“荧惑”已不再让⼈困惑,并成为⼈类移民的⾸选⽬标,美国国家航天局希望在2030年将第⼀批⼈类送上⽕星。在开启⽕星移民之旅前,我们需要更好的了解⽕星的可居住性。欧洲航天局开发了名为Expose的天体⽣物学实验平台,安装在国际空间站(ISS)外,⽤于研究⽣物化学样品在模拟的⽕星环境下可否⽣存。在前期的实验中,研究⼈员发现暴露在模拟⽕星环境下的微⽣物极少可以存活。

为了进⼀步研究微⽣物在什么情况下能够在⽕星维持⽣命⼒,Expose在2014年的第三次任务中进⾏了⽣物学和⽕星实验(BIOMEX),以测量⽣物膜在⽕星条件下的稳定性。46种⽣物样品中被放置在Expose平台上,经历了18个⽉模拟⽕星环境⽣活后,运返⾄地球进⾏分析。在这次实验中,多数微⽣物群落仍被太空环境破坏,但其中⼀种能够⽣产细菌纤维素的⽊醋杆菌Komagataeibacter却存活下来。

研究⼈员发现,它之所以在⽕星环境下能够维持⽣命⼒,完全归功于⼀个在太空中保护细菌的好帮⼿---细菌纤维素。

在Expose实验中,研究⼈员将⼲燥的细菌纤维素运送到国际空间站。宇航员将它固定在舱外的Expose平台,在这⾥⾯经受了⼗⼋个⽉模拟⽕星的环境测试后,样本回到地球,和留在地球上的同批⼲燥纤维素同时⽤制作康普茶的⽅式进⾏再次培养。

发现⼀直在地球上的⼲燥纤维素被激活7天后长出了新的纤维素,⽕星旅⾏后的⼲燥纤维素在60天后也长出了新的纤维素。在进⾏基因组⽐对后发现:虽然⼲燥纤维素中的微⽣物群落受到了⽕星环境的破坏,但进⾏纤维素⽣产的⽊醋杆菌在⽕星旅⾏后依然存活,即使在⽕星的环境下也仍旧具有合成纤维素的能⼒。

细菌纤维素(Bacterial cellulose,简称BC)是⼀种由以醋酸杆菌科为代表的细菌发酵代谢⽣成的不溶于⽔的胞外多糖,由独特的细密三维纤维⽹构成,是⼀种细菌⾃我保护的产物。被送上太空的细菌纤维素是由醋酸杆菌科中的⽊醋杆菌在康普茶发酵过程中产⽣的纤维素薄膜。研究结果表明,这层细菌纤维素膜可能是细菌在⽕星旅⾏后仍然有⽣产能⼒的原因。是⽊醋杆菌给⾃⼰织了⼀件抵御地外环境的宇航服。

为什么这层既有平⾯结构又有疏⽔结构的纤维素可以成为细菌外部的物理屏障?细菌纤维素能够优化细菌内的氧⽓浓度,促进有氧固氮。保护细菌本⾝免受环境压⼒,如紫外线辐射。可以产⽣耐受酸性条件、代谢⼄醇和产⽣有机酸的能⼒。还可以通过抑制污染物的代谢物扩散从⽽使细菌内部不受到其他微⽣物的⼊侵。能够很好地保护细菌,⽀持细菌内部稳定运作。

这层⽊醋杆菌给⾃⼰编织的宇航服让它在⼗⼋个⽉的太空旅⾏后仍然能够⽣长出新的细菌纤维素。

细菌纤维素对于太空环境强⼤的耐受性展现出未来助⼒⼈类进⾏太空探索的可能性。我们已经开始对于细菌纤维素在太空中的应⽤有了畅想。⽣物废弃物管理:在外星建⽴居住区时,需要处理⼤量废弃物。由于细菌纤维素是由纯纤维素构成,是⼀种完全可降解的材料。

在太空中使⽤细菌纤维素制造包装、⾐物等⽣活⽤品可以减少太空中的垃圾堆积,提供可持续的太空⽣活。细菌纤维素培养过程中的副产品也可以加以利⽤。例如制造⾐服的纤维素⽪层残留物可作⼟壤/动物饲料,酸味康普茶饮料可转化为醋/⾹膏/消毒剂。

植物⽣长基质:细菌纤维素作为发酵产物,还可以⽤作植物⽣长基质的⼀部分。

细菌纤维素可以与其他材料混合使⽤,例如⽕⼭岩、矽⼟和其他可⽤的地球材料,可以制造出⼀种类似于⼟壤的⽣长基质,提供适当的营养和⽔分,促进植物的⽣长。太空服材料:太空服是在太空⾏⾛时保护宇航员免受极端条件的影响的重要设备。细菌纤维素可以⽤作太空服的⼀部分,例如衬⾥或⾯料。由于其⾼抗张和抗辐射能⼒,可以提供额外的保护。纤维素的⽹状结构,作为服装还可以吸收⽓味,可以被折叠成紧凑的体积还易于清洗。

与⽣物的⾼相容性也让细菌纤维素与⼈体⽪肤直接接触时不会产⽣过敏反应,⾼持⽔性还能缓解太空中的⽪肤⼲燥。还可以将细菌纤维素与其他材料进⾏复合,相⽐起⽬前的⾦属材料太空服,能够使太空服装处理和回收更⽅便和环保。

建筑材料:细菌纤维素还能与其他可⽤材料混合⽤作建筑材料,例如砖、板材和绝缘材料。制造出⼀种结实、耐⽤和具有隔热性的在⽕星上可以使⽤的建筑材料。

太空药品的制备和包装:在太空环境中,药品可能受到辐射、⾼温、低温和⾼真空等极端条件的影响,需要⼀种有较⾼稳定性的包装材料来保护药品的质量和功效。细菌纤维素具有⾼强度、低毒性等特点,能够有效地保护药品并延长药品的保质期。未来还可以⽤于制备药品的载体或缓释剂,通过改变结构和物理性质来控制药品的释放速度和作⽤时间,提⾼治疗效果,研究太空医学中的抗⽣素耐药性。

太空运输中的包装材料:在太空环境下,传统的塑料包装会因为辐射等因素失效,⽽细菌纤维素对于太空环境的耐受性可以避免这种问题。⽹状结构带来的良好的⽓体渗透性和透明度可以⽤于制作⾼透明度和⾼透⽓性的太空包装材料。可以⽤于太空运输中的⾷品和⽔处理。细菌纤维素的超强吸⽔能⼒,可以⽤于太空中的⽔分处理和回收。太空电池:细菌纤维素良好的导电性和光学性能可以⽤于太空电池和光伏电池等能源存储器件的制作。

在过去的⼀个世纪⾥,我们逐渐了解这颗遥远的邻星。在不远的未来,⼈类在这颗红⾊星球上是否会有新的⽣活?细菌纤维素正在帮助我们搭建这条⾛向⽕星的轨道。

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