移民火星？别急，那里的土壤有剧毒

在火星上 Garni 陨石坑的墙壁上可以看到反复出现的坡线 （RSL）。RSL 被认为是由渗入行星表面的咸液态水形成的。（图片来源：NASA）

在2002年美国宇航局艾姆斯研究中心的一场天体生物学会议上，“循水寻生命”的口号应运而生。时至今日，科学家仍在争论这“水”应是咸水、淡水还是介于两者之间，但不妨碍“循水寻生命”这一信条仍是寻找地外生命的核心原则。  

如今的天体生物学家和天文学家拥有更灵敏的望远镜和分析手段，能够研究众多系外行星的大气层。他们的目标是探测潜在的一些生物标志物，就目前所知，这些标志物由生命活动形成的化学物质组合。尽管“生命”本身的定义依然模糊，但无论候选生物标志物列表如何复杂，地外水存在的线索仍能让科学家和科幻作家的心跳加速。  

但如果我们想要的不仅是生命呢？如果人类想扩展家园的范围呢？毕竟，在或多或少类似地球的行星上建立自给自足的殖民地，早已是科幻作品的经典设定。  

若要探讨此类殖民地的挑战与成功路径，我们必须先思考一个看似平凡的事物：土豆。

电影《火星救援（The Martian）》剧照

以安迪·威尔的畅销小说《火星救援》为例。宇航员马克·沃特尼在事故中被推定死亡，独自困于火星科考站。面对日益减少的补给和救援无望的处境，他依靠小说中第二位无名英雄——土豆——活了下来。通过精心种植土豆，沃特尼得以避免饿死。然而现实并不浪漫。小说出版后，科学家发现火星表土富高氯酸盐，这些毒素会在植物中累积（即便它们真能生长）。这意味着种出的土豆将含有摧毁甲状腺的剧毒。目前，在火星土壤上种植粮食并非良策，尤其是考虑到长期、多代际殖民时，高氯酸盐对胎儿神经发育的危害更为致命。  

但还有一个更大的问题：火星根本没有土壤。  

祝融号着陆区的火星地质特征和岩石（图片来源：国家航天局）

土壤魔法与微生物  

土壤不仅是泥土与岩石，也不仅仅是金属和矿物质的组成。  

在N.K.杰米辛（ N.K. Jemisin）的《破碎帝国（Broken Earth trilogy）》三部曲中，“地源者”能感知并操控岩石中的能量，通过魔法将人类与世界联结。而在现实中，土壤同样扮演着生命枢纽的角色。  

若以魔法作喻：土壤是一个三相系统，包含固态（有机与无机物质）、液态（水分）和气态（孔隙中的气体，即“土壤大气”）。正如人类和其他生物拥有微生物组，土壤也有自己的微生物组——病毒、细菌、真菌、线虫、昆虫等。一克土壤中可能栖息着数十亿生物，其中许多尚未被科学认知。最新研究甚至推测，地球上一半以上的物种潜藏于土壤中。  

地球的生机以我们常忽视的方式涌动着。这种忽视可能代价巨大，因为我们甚至不知道自己究竟遗漏了多少知识。  

生物多样建立在土壤的基础之上。忽视土壤将导致严重后果：土壤生物多样性对养分循环、水分保持、气候变化下的生态韧性等关键功能至关重要，而这些功能直接或间接支撑着人类生存与可持续发展。  

基于体宽大小的土壤动物分类示意图（图片来源：中国土壤学会）

科学家将土壤生物多样性视为生态系统健康的“矿井金丝雀”。然而，这只“金丝雀”难以追踪，人类对地下生命宇宙的认知至今仍存在大片盲区。已知的是，我们并未善待土壤。无论是农药、污染物径流、微塑料、干旱还是土壤侵蚀，环境压力正不断加剧，损害土壤生物多样性及依赖它的生态服务。而这些服务不仅关乎荒野——即便是城市中的小型绿地，土壤生态对维持人类健康与福祉同样不可或缺。  

那一勺蕴含生命的土壤，蕴藏着巨大的潜力：从生物勘探（寻找天然有用物质）到生物工程（定向改造土壤微生物组）。例如，植物固然能将阳光转化为能量，但其根系也依赖土壤微生物组，即其根际中的细菌、病毒和真菌与根系形成复杂的交换网络。调控根际生态，或将成为气候适应性农业的关键。我们甚至可以改造微生物，使其吞噬除草剂与污染物。  

简言之，土壤支撑陆地生命，而健康的土壤本身就代表着生命。  

小行星真菌与月球土壤  

因此若想在太空建立支持生命的殖民地，我们需要土壤，并且必须是有生命的土壤。你或许认为这是“先有鸡还是先有蛋”的悖论，但生物学家清楚：蛋的出现远比鸡更早。  

电影《火星救援（The Martian）》剧照

那么，土壤的“蛋”是什么？如何在一颗荒芜的星球上将其孵化为“鸡”？更具体地说，如何在没有原生生命的外星环境中创造土壤？  

抛开地质学家的抗议，我们粗略勾勒土壤成分（暂不含微生物组）：约50%固体、25%液体、25%气体。固体主要为矿物质，要形成天然土壤，这些矿物质不能以巨型岩石形态存在，我们有两种选择： 

方法一：开采小行星矿物元素

通过在小行星上播种真菌来制作太空栖息地土壤的方法（图片来源：NASA）

2021年NASA创新先进概念奖（NIAC）的一项提案提出：在覆盖防护层的小行星上播种真菌孢子。这些顽强真菌将萌发菌丝，利用酸和“细胞刀”穿透岩石裂缝，分解岩石并释放矿物质与金属，启动将荒芜岩石转化为肥沃土壤的进程。但别急着庆祝——2022年一项研究用模拟小行星风化层种植生菜、萝卜和辣椒，发现即使土壤中包含磷、钾等养分，植物仍生长不良，需额外添加泥炭苔才行。  

总之，小行星土壤仍需大量改良。不过，小行星土壤精炼厂倒是个绝妙的科幻设定。  

方法二：利用行星风化残留物

在月球风化层拟南芥的发芽和发育

2022年，科学家首次在阿波罗任务采集的月球风化层中种植模式植物拟南芥，根据种植结果，科学家直言，月壤并非“良性基质”。尽管植株表现出应激反应，生长受阻，但希望犹存：地球经验表明，人工土壤可通过添加园艺堆肥（甚至污水污泥）改善肥力。《火星救援》中，沃特尼也用“自制肥料”种土豆。模拟火星种植实验已证明，苜蓿可在模拟火星土壤中生长，并转化为萝卜、生菜的生物肥料。  

所以，行星矿物碎屑远不足以构成优质土壤。要将原始基质转化为真正土壤，我们需要“魔法成分”：微生物。  

生物炼金术：细菌、真菌与地衣  

前文提到的模拟火星种植实验未考虑高氯酸盐毒性，因此在真实情况下，马特·达蒙饰演的沃特尼活不过第一幕。即使集齐矿物质、液体与气体，若缺少微生物组，仍无法让植物吸收养分或降解毒素。为此，我们需要自然界的炼金术士相助——细菌。   

对火星殖民者而言，有个好消息：已知至少50种细菌能将高氯酸盐还原为氯化物与水，而氯化物甚至可用于淡化火星冰层中的盐水。此外，某些酵母和真菌对高氯酸盐的耐受度超乎想象，为改造火星提供了更多生物工具。  

地衣（图片来源：维基百科）

这些炼金术士或许还联合作战。地衣作为真菌与藻类或蓝藻的共生体，兼具双方优势：既能像藻类般利用光能，又能像真菌般在极地、岩壁甚至太空生存。无怪乎科学家考虑用地衣作为火星拓荒先锋。下次你抱怨地衣长在砖墙上时，不妨想想它们的星际潜力。  

借助生物技术，我们还能为这些炼金术士“升级”。具体方案因环境参数而异，但可以肯定：外星土壤的地球化改造绝非单一微生物能胜任。  

但我们地球同样需要这些技术。为应对生态透支与气候危机，科学家正设计能相互作用的合成生物体。一项研究聚焦生物土壤结皮（干旱生态系统中真菌、地衣、细菌与藻类构成的表层土壤群落），其改造策略或可应用于月球与火星。  

后续研究提出多种地球化改造的生态策略：确保生物间直接/间接协作、使用“功能后自毁”生物、利用污水与其他废弃物。对于大面积改造（如整颗行星），可能需要“微生物超循环”，通过互利闭环使不同物种互助复制。例如，某种细菌的代谢废物成为其他菌类的养料。尽管需考虑寄生虫与空间分布等问题，这类超循环曾被用于模拟地球早期生物圈，或为无生命星球注入生机。  

当这些合成微生物超循环开始扎根，火星、月球或其他天体的无生命土壤将逐渐苏醒。随后，蚯蚓（已证实能在月壤中促进作物生长）等大型生物将加入土壤群落，为植物乃至人类与其他动物奠定基础。

电影《沙丘（DUNE）》剧照

从《沙丘》的香料星球到《阿凡达》的灵魂之树，科幻作品早已暗示：生命网络才是宇宙中最强大的力量。本文虽为基于假设与零碎研究的推测性叙事，却揭示了一个深层真相：人类必然嵌于由生态系统与其他生物构成的复杂网络中。无它们，即无我们。无论在地球还是异星，土壤及其生物多样性都是支撑人类存续的关键。

当我们仰望星空时，或许该先俯身触摸泥土——那里藏着地球45亿年的生存智慧，也书写着人类能否成为“多星球物种”的终极答案。毕竟，一个连自家土壤都保护不好的文明，又如何配得上星辰大海的征途？  

作者：杨雨鑫