再创丨SpaceX要实现人类星际殖民，合成生物学能够做些什么？

撰文丨孟凡康（中国科学院大学）

“You want to wake up in the morning and think the future is going to be great - and that's what being a spacefaring civilization is all about. It's about believing in the future and thinking that the future will be better than the past. And I can't think of anything more exciting than going out there and being among the stars.”

— ELON MUSK, SPACEX

9月18日，早晨9点。虽然前一晚忙于实验到了将近凌晨2点才回到宿舍，在稍微睡了一个小小的懒觉之后，在去实验室的路上准时打开手机直播画面，此时Elon Musk穿着其标志性的夹克衫正在SpaceX的火箭工厂中心进行演讲。

在这天，SpaceX将公布第一位前往月球的地球乘客。后来大家也都知道了，日本企业家前泽友作将在2023年搭乘SpaceX的BFR火箭和BFS飞船前往月球进行环月之旅。同时他将邀请6-8位地球的艺术家，一同前往，去近距离欣赏美丽的月球。

Dear Moon（亲爱的月球宣传片）[1]

这就是人类吧，满含着浪漫主义，同时又充满探索未来的勇气与决心。

作为史上最强大的火箭，BFR未来同时将承担Musk建立火星移民城市的重任。

Musk也在直播中说到：Become a multi-planet civilization as soon as possible（尽快建立多星球殖民文明）。

我们大家都有所了解，最为离地球最近的天体之一，火星也是人类进行星际移民的首选之一。同时在近年的研究中，我们不仅发现了火星存在水，同时也发现火星的极地存在着地下冷冻冰川，并且有可能存在相应的生态系统。这也大大的增加了人们对于移民火星的兴趣。

而SpaceX则为了我们提供了可行的方法与相对较高的预期。通过BFR和BFS，SpaceX计划在火星建立起相应的人类基地。

SpaceX火星移民城市图景

SpaceX火星移民宣传片[2]

作为SpaceX的狂热粉丝，在和朋友的聊天中，我一直调侃，我认为我要和Elon Musk产生关联，那么一定是我作为合成生物学家通过工程化手段解决生物火星殖民的挑战，比如设计一个可以生存在火星极端环境中的微生物。出于个人的兴趣，我一直在关注合成生物学能够在人类外星殖民中做些什么？合成生物学在未来外星殖民中扮演中什么样的角色？

国科大的一门夏季学科课程——《天体生物学》则给我提供了很多的思路与观点。根据我个人的了解，其实合成生物学在太空中已经是一个有着明确目标的研究领域了，其名称为太空合成生物学（Space Sythetic Biology）。太空合成生物学是生物技术的一个分支，其旨在通过对生物系统进行工程化改造，让生物可以应用于太空探索、工业生产以及科学研究等方面。 

简单来说，太空合成生物学，是一门航天航空工程与生物工程的交叉学科，在长期的空间任务中拥有重要的价值。例如，利用合成生物学的方法可以将航天废物和星球资源转化成可用的产品。这种策略相比于传统的方案（依赖于资源星际运输），只需要很少的载重（根据不同的任务，可以节省多达26-85%的载重）。同时这还可以减少能量的利用和发射体积（两种重要的航天标准），比如合成生物学改造的细菌可以通过利用太阳能和目的地可用的营养资源进行繁殖和扩增，而在运输过程中只需要储存少量的菌体即可。除了成本低效益高，这也能进一步提升航天员的安全，因为传统的非生命方案往往需要大量冗余的机制和附加物理系统。同时，生物本身的多样化也是一种极大的优势。我们可以利用来自三个生物界的微生物用作航空用途，一般来说主要是细菌、古菌还有真核细胞。这些生物都是可行的轻量级工具，不仅可以是用于空间应用的可靠生物底盘，同时也是对现有空间技术的一种拓展，毕竟现有的空间技术主要还是以植物为主（比如植物生产食物等）。

毫无疑问，生物技术尤其是合成生物学技术将在未来太空探索中扮演着重要的角色，那么太空合成生物学想要解决人类的太空移民需要解决那些问题呢？2015年有一篇来自Journal Of The Royal Society Interface，名为《Grand challenges in space synthetic biology》[3]的文章中列出了太空合成生物学发展需要解决的6大关键挑战，分别是：

1. 资源利用 (Resource utilization)

2. 物质生产 (Manufacturing)

3. 生命维持 (Life support)

4. 太空医疗与人类健康 (Space medicine and human health)

5. 太空生命系统控制论 (Space cybernetics)

6. 外星环境地球化 (Terraforming)

• 资源利用

    （a）确保生物在极端环境的功能

    （b）拥有利用三种资源的能力：废物、挥发物和矿物

    （c）可以为生产过程和基于细胞的生物材料提供原料

• 物质生产

    （a）同粘合剂共同作用以满足与建筑相关的需求，比如结合土被，生物沉积物和生物聚合物

    （b）可以产生火箭的动力和推进燃料

    （c）利用现有合成生物学能力重新审视制造和建筑技术

• 生命支持

        （a）提升废物，特别是废水的生物管理。

    （b）通过将生物技术结合到传统的无生命结构中，调节和再循环空气、水和固体废物。

    （c）生产美味，质地丰富，营养丰富的食物。

    （d）为其他生物（比如植物）提供营养，并协助营养元素的循环利用。

• 航天医学和人类健康

（a）预防疾病和维持人类微生物组。

（b）利用生物制造合成药物对抗疾病、辐射损害和重力变化造成的影响

（c）开发抗辐射、具有自我修复能力的防护服和屏蔽设备。

• 太空生命系统控制论

（a）开发生物控制装置或者系统：生物传感器(Sensors)，执行器(Actuators)和控制器(Controllers)。

（b）设计生物控制系统，这些系统可以完全由生物部分组成，或者将生物系统与非生物系统整合在一起，产生一种人造生命形式。

• 外星环境地球化

完成碳和氮循环的少数多功能物种的半外星环境地球化(Paraterraforming)。

其中外星环境地球化是一个及其漫长的过程，那么如何实现呢？请看下面这段视频：如何将火星变成宜居的星球？（人类设想的方案之一）

如何将火星变成宜居的星球？[4]

仍然记得在2016年iGEM Giant Jamboree颁奖典礼的现场。那时候也正好是NASA新闻发布会公布了火星的确存在水的证据，现场的嘉宾告诉我们：火星上有水！现场的各位iGEMer欢呼雀跃，激动不已。同时很多iGEM队伍也非常对火星移民非常感兴趣，谷歌搜索iGEM + Mars关键词，可以发现很多队伍在利用合成生物学让我们能够在火星立足，比如今年的Copenhagen iGEM team (链接：http://2018.igem.org/Team:UCopenhagen)

Copenhagen iGEM team的PharMARSy项目[5]

但是不计后果、一时脑热的火星殖民似乎不是一个明智之举，除了一些重大的挑战之外，也有人在思考人类的行为是否会对火星造成破坏。因为今年NASA公布的结果显示，火星极地是存在液态盐湖的，假使这种液态盐湖中存在活跃的生态系统，人类的殖民行为是否也会破火星原有的生态系统呢？

在知乎上大家也对火星存在液态盐湖的消息产生了浓厚的兴趣。比如知乎@喵大侠就想向火星的液态盐湖中撒播“生命种子”。

但是撒播“生命种子”的行为需要更全面的考虑。除了技术层面，还需要更多伦理层面的思考。在行星保护规则的约束下，这样的任务会被非常谨慎的规划，以免地球微生物侵入火星原生环境。这类似于对于转基因或者遗传工程改造生物的规定。在没有完全对结果可控之前我们需要谨慎的行动。假使火星存在生态系统，但是原有生态系统可能十分脆弱，来自地球的“生命种子”可能会带来灾难。同时“生命种子”在火星上的进化方向也是未知的，这也有可能带来未知的风险。

不仅如此，合成生物技术在太空中的应用还面临着更多的挑战。首先合成生物学在太空中的应用导致的潜在问题与在地球上的应用有很多共同点，比如现在普遍关注的生物安全问题。但也面临着许多超出地球应用预期的新问题，包括太空法律建立与执行 (space law)、行星保护 (planetary protection)、交叉污染 (cross-contaimination)、太空微生物学 (Space microbiology)、风险评估 (risk assessments)、决策基础结构 (decision-making infrastructure)、长期人类星际任务 (long duration human missions)、行星环境地球化 (terraforming)以及可以能的外星生命发现 (ET life discovery)。以下列表总结了合成生物学技术在地球以及地球外应用时所面临问题的相似点与区分点[6]。

在直播结束后，我和同学闲聊：如果你有机会去火星，作为火星人类文明的开拓者，你会去吗？他很犹豫。然后我似乎心血来潮了一般，突破很坚定的说，我想我一定会去。因为这会让我的人生充满意义，我也许去会和一群科学家建立一个火星合成生物学研究基地，可以让火星上产生更多生命的可能。

不由的又想起了童年时，从东方的地平线到西方的地平线，那个满天繁星的夜晚，第一次被浩瀚的宇宙吸引，那一晚激动的我无法睡眠，久久望着窗外。又想起了，童年时站在板凳上盯着火星看的那个傍晚，那是火星几十年里离地球最近的一天，它红红的大大的发着光，是如此的令人惊叹和向往。

也许在有生之年里，真的能够与火星结缘呢？至少见证人类登陆火星是应该可以实现的。

期待。 

参考文献：

[1] https://dearmoon.earth/

[2] https://www.spacex.com/mars

[3] Menezes, Amor A., et al. "Grand challenges in space synthetic biology." Journal of The Royal Society Interface 12.113 (2015): 20150803.

[4] https://www.facebook.com/ScienceNaturePage/videos/1332147706917484/

[5] http://2018.igem.org/Team:UCopenhagen

[6] Race, Margaret S., et al. "Synthetic biology in space: considering the broad societal and ethical implications." International Journal of Astrobiology 11.2 (2012): 133-139.

END

再创丨Regenesis 正式开启了“喜欢作者”功能，如果您觉得本文的文章写得不错，可以在文末对作者进行赞赏，感谢您对 再创丨Regenesis 的支持与鼓励！

• 再创丨造物九律：如何无中生有

• 再创丨第四届青年合成生物学论坛之医学合成生物学

• 再创丨我们细胞中的“遗传电路”

• 再创丨合成生物学的现在与未来 

• 再创丨人工基因元件的合成生理学研究进展 

• 再创丨《Science》同期发表两篇合成生物学重磅文章，著名学者Uri Alon同期发表评述