我们应该在火星上建立自然保护区吗

如果我们要殖民火星，大自然将不得不陪伴我们。艺术家对火星殖民地栖息地的概念。图片来源：美国宇航局

我们现在有80亿人。联合国表示，当人口在2100年左右达到顶峰时，将有110亿人。根据世界野生动物联合会的数据，我们的人口增长正在以前所未有的规模与自然世界发生冲突，我们每年正在失去200至2,000种物种。

一位来自英国的工程师说，减轻人与自然冲突造成的损害的一种方法是创造更多的栖息地。我们可以通过在火星上建立人族生态系统保护区来做到这一点。

PaulL.Smith是英国布里斯托大学工程学院的一名土木工程师。在国际天体生物学杂志的一篇文章中，他解释了我们如何在火星上建立一个自然保护区，作为地外自然保护区(ETNR)。ETNR将充当“心理避难所和植物园”，根据史密斯。

从表面上看，这个想法可能看起来很荒谬或荒谬。但是史密斯是一名工程师并且已经考虑到了这一点。他并不是说火星上的ETNR迫在眉睫。他着眼长远：人类将继续对地球施加压力，我们将殖民火星。他说ETNR应该成为任何殖民化努力的一部分。史密斯并不是第一个想到这个想法的人。他依赖于其他人之前的许多研究。

在您评估这可能有多明智之前，您必须先评估它的可能性有多大。谁能比工程师更能深入研究这个问题?

火星的昼长与地球相似，因此基础部分足以开始。火星要冷得多，但保持封闭球形保护区的系统已经存在，因此可以在不太复杂的情况下管理温度。火星表面干燥，但地下有大量结冰的水，因此供水问题并非无法克服。

火星和地球的大气构成截然不同，但这是更容易解决的问题之一。一个封闭的环境可以被设计成具有任何想要的气氛。植物生命本身可以在一定程度上调节环境。温度和压力是两个更容易调节的因素。

这些是基础知识，但是当进行更详细的分析时，会出现更多令人困惑的问题。史密斯的分析很详细。

火星辐射环境是事情开始变得复杂的地方。没有像地球那样的臭氧层，火星表面暴露在危险水平的电离紫外线辐射下。“由于稀薄的大气层和缺乏明显的臭氧，火星严酷的表面紫外线通量正在杀菌，”史密斯写道。一些紫外线辐射是可取的，并且是某些生物新陈代谢的一部分。人类需要一些紫外线来刺激维生素D的产生。但地球上的生命形式不适应增加的紫外线，因此需要充分的保护。

“幸运的是，玻璃/塑料组合可以排除有害波长，同时传输有益的紫外线和可见光，”史密斯解释说，“因此可以控制CTTE(受控地球生态系统)中的通量。”

植物的生命与季节性密切相关，传粉者等其他生物的生命也是如此。如何在外星人族自然保护区中复制这一点?其中有多少需要复制?图片来源：H.Yamane2014

磁场是一个更开放的问题。我们知道磁场保护地球免受宇宙射线的伤害，并防止太阳风将臭氧层剥离。但是我们还没有完全了解地球磁场在生命中发挥作用的方式。一些生物利用磁感受来迁移和四处移动。有些人称磁感应为“动物生物学中最大的谜团”，需要更好地理解这个谜题。我们可以在CTTE中设计一个人造磁场吗?

地球上的生命也会随着季节的变化而变化。生物群落的构成发生了变化，而这必须加以管理。火星的季节变化与地球有很大不同，因此必须设计季节。“时间决定了关键的发育阶段、个体生理和种间关系，而非生物事件的时间影响全球营养通量，”史密斯解释说。

“光周期和冬季寒冷与温带植物的物候有关。”物候学包括植物的发芽、发芽和开花。它还包括更复杂的动物行为，如迁徙、繁殖和产卵。这些行为在自然界中、个体之间和不同物种之间密切同步。复制这将是一个巨大的挑战。

人类显然不会季节性繁殖，但我们并不是与季节隔绝的，尤其是在温带地区。“季节也赋予对心理恢复至关重要的特征，例如秋天的颜色、冬天的寂静、春天的花朵和夏天的绿叶，”史密斯写道，他没有错。

火星和地球之间另一个可能被忽视的区别是月球周期。地球的月亮很大并且具有强大的影响力。TinyPhobos和Deimos，火星的一对马铃薯形卫星，对火星几乎没有影响。即使火星充满生命并拥有海洋，那两块小石头也无法产生潮汐。事实上，火星表面可能有一些区域，那里的卫星永远都看不到。

根据字典的定义，史密斯将地球的月亮描述为一个zeitgeber，“一种有节奏地发生的自然现象，作为调节人体昼夜节律的线索”。火星的昼长与地球相似，因此昼夜节律可能不是一个具有挑战性的问题。

火星仅接收到地球接收到的阳光的43%。研究表明，这足以进行光合作用，但如果不进行人工增强，火星上的植物生长速度将无法与地球相提并论。这是工程和技术可以克服的另一个障碍，但它使ETNR更加复杂。

史密斯谈到将自然保护区放置在地下熔岩管中，这将提供紫外线防护和其他好处。在这些情况下，将需要增强人造光。

ETNR需要土壤。火星有玄武岩地壳，其中含有许多地球人植物所必需的营养物质。“含有火山灰的玄武岩衍生土壤是良好的农业土壤，”史密斯在引用其他研究时写道。“粉碎的玄武岩可以增加土壤的pH值，而它的溶解会释放出有益的营养物质，包括磷。”磷是植物生长所需的三种主要营养元素之一：氮、磷和钾。

火星土壤中可能含有充足的氮供植物生长，但植物还需要16种其他微量营养素。“这些都是来自火星或火星陨石的报告，”史密斯写道。但是其他与土壤肥力有关的化学物质并不直接被植物消耗。这是一个复杂的难题。

地球土壤不仅含有植物所需的所有养分。它还充满了微生物和蚯蚓等生物。这些生物是地球土壤中生命系统的一部分。是否需要重新创建整个系统?如果是这样，那就是一个非凡的复杂程度。研究表明，其中一些可以在火星风化层中复制，但该研究是在复制的火星泥土上进行的。我们对在火星上建立整个土壤系统有多大信心?

火星风化层还含有比地球土壤更高水平的毒素。火星上的高氯酸盐含量较高，这使得风化层对生命形式有毒。火星风化层中还有更多的氧化铁，当与高氯酸盐和过氧化氢含量增加时，它是一种剧毒混合物。补救措施能解决吗?可能吧。事实上，从头开始建造土壤是ETNR的关键组成部分，也是最复杂的任务之一。

然后是火星沙尘暴。火星的一些风化层非常好，以至于在有时比美国大陆还大的风暴中被送上高空。它聚集在表面上，对火星着陆器上的太阳能电池板来说是个问题。它还降低了到达地表的太阳能量，进一步增加了光合作用的压力。

火星的低引力也必须考虑在内。火星重力只有地球的38%，重力是调节植物生长的因素之一。在火星重力降低的情况下能长出参天常青树吗?

“实验表明0.3g(<火星)足以触发向重力反应，但在类似月球(0.17g)的引力下，分生组织的能力可能会丧失，”史密斯写道。向重力反应是植物生命对重力的反应，以两种方式起作用。查尔斯·达尔文表明，植物根部表现出正向重力性，这意味着它们向重心方向生长，而茎则远离重力方向生长。研究表明，植物可以在微重力下生长和进行光合作用，宇航员在国际空间站上种植了不同类型的植物，那里的重力是地球的89%。但这些实验是在选择性作物上进行的。国际空间站上没有种植树木。

“从这些证据来看，可以想象一些植物能够承受火星的引力，”史密斯写道。“然而，森林功能也受到影响。”

重力不仅仅影响植物生长。它管理着许多其他必须考虑的事情。“树叶和繁殖体的落下、跳跃、飞行、枯木倒塌、雨滴撞击和排水都有助于产生活力，”史密斯解释道。但较低的重力也可以提供一些好处。火星较低的光照可能导致植物“徒长”生长、茎较弱以及整体生长不旺盛。较低的重力可能会平衡其中的一些负面影响。

史密斯指出，试图重建一个特定的地球森林生物群落会适得其反。它们太复杂而无法复制。“地球上的森林将它们的组合归因于环境和进化压力，这与火星CTTE中的不同。没有一个森林食物网被完全绘制出来，树冠本身可能包含超过100,000个营养联系，具有挑战性的复制。”相反，陆地生态系统将是一个新的生命网络，需要时间才能在火星环境中建立起来。目标是引入物种并观察哪些物种适应了环境，从而为新的混合生态系统的发展留出时间。

“ETNR设计者应该将物种视为可能组装成功能性生态系统的生态齿轮。目前复制地球森林是不可行的，但可以想象开发新的生态系统，以意想不到的方式发挥作用。火星的森林与地球的森林不同或功能完全不同森林，但仍然可以带来奇迹;0.38克的秋天提供梦幻般的落叶，”他写道。

Smith的文章中有更多详细信息。这是一个很大的话题，我们才刚刚开始解决所有问题。例如，如果ETNR旨在为火星上的人类提供喘息之机，我们就需要一些合适的物种。“没有鸟鸣或蝴蝶的林地是一个糟糕的TTE。这种缺乏可能会加剧乡愁，”他解释道。漫步在寂静的森林中是多么令人难以忘怀的感觉。另一方面，我们都可以没有蚊子。

道德约束呢?并非我们所有的努力都会成功。我们是否有权将其他生命形式运送到ETNR，如果他们无法承受条件，只能眼睁睁地看着他们受苦和死亡?还是整个努力都是为了在发生灾难时维持地球上所有生命的一部分，这样他们的痛苦就会与我们并肩?

这些都是没有简单答案的复杂问题。

我们对生命如何协同工作的理解还远未完成。当成群的鲸鱼自己搁浅或大量鸟类死亡时，我们仍然感到困惑。我们不能指望在ETNR中“冻结”条件，这样就永远不会出现死亡。这些可能会导致其他生命形式可以利用的新生态位。这就是自然，如果我们要尝试重建它，我们就必须接受它。

史密斯强调了在此类讨论中有时会迷失的另一点。智人显然不是在真空中进化的。我们与其他生命形式一起进化，没有它们我们就无法生存。在一个非常基本的层面上，我们的肠道被细菌定殖——人类微生物组的重要组成部分——没有它们，我们就完蛋了。在这个基本的生物学层面上，我们需要其他生命形式才能生存，而它们又反过来依赖其他生命形式。生命之网异常复杂。

这是一个压倒性的问题：我们是否具备在火星上重建封闭地球生态系统的知识?但问这个问题会引出另一个不祥的问题：

我们是否强迫自己处于必须在准备好之前回答第一个问题的境地?

即使我们永远无法到达火星或建造ETNR，思想练习也能说明这一点：大自然是支配我们生活的首要结构，我们需要它胜过它需要我们。我们有责任让大自然保持活力。

“从以生物为中心的角度来看，世界领导人应该关注宇宙中生命的未来以及人类在保护和传播它方面的作用，”史密斯写道。“在一个宜居性有限的星球上，这是一项重大责任。任何形式的生命生存都是最终的以生物为中心的优先事项。”