航天員如何在太空中自給自足？這些細(xì)菌可能幫得上忙

科技飛速發(fā)展的今天,，長時間的太空旅行對人類來說依然是非常困難的,，除了幽閉的小空間可能會對航天員帶來心理損傷之外，航天器有限的載重如何在人員,、水,、空氣以及食物之間取得平衡也是一個很大的問題。

航天員的食物從哪里來,？

如果這些維系生命所必需的物質(zhì)完全由地球補(bǔ)充的話,，不僅意味著巨大的成本，也意味著我們對太空的探索注定無法走遠(yuǎn)……舉個例子,，根據(jù)一項(xiàng)科學(xué)研究,，六位航天員執(zhí)行一次火星任務(wù)，其食物需求將會重達(dá)12噸（不含包裝凈重）,，而即使是運(yùn)載成本較低的SpaceX,，其每千克載重的成本也高達(dá)2720美元。

如果說載人探索火星還屬于我們咬咬牙就能夠達(dá)到的水平,，那未來要探索木星,、土星這種更遙遠(yuǎn)的行星，甚至是外太陽系,，其成本將會高到完全無法承受的地步,，而且補(bǔ)給的時效性也會非常低下。

正因如此,，人們對太空食物的研究從未停下腳步,，比如在目前條件下最容易實(shí)現(xiàn)的太空農(nóng)場，即直接在空間站或航天器中種植植物并收獲食物,，已經(jīng)在中國和美國的兩個空間站內(nèi)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),，并已經(jīng)在太空中培育出了多種蔬菜，美國航天員甚至早已在太空吃到了他們種下的生菜,、胡蘿卜和辣椒等蔬菜,。

中國空間站上產(chǎn)出的蔬菜。圖片來源：CCTV

除了蔬菜之外,，人們還試圖在太空中養(yǎng)殖藻類,、蘑菇以及昆蟲等，但這些養(yǎng)殖或種植設(shè)備都需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和長期的維護(hù)來模擬地球生態(tài)系統(tǒng),，才能讓動植物們在設(shè)備中正常生長,，若要做到在太空中實(shí)現(xiàn)食物自給自足，目前的設(shè)備產(chǎn)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，還需要增加設(shè)備體積和數(shù)量,，這無疑會占據(jù)大量航天器空間。

國際空間站上進(jìn)行蔬菜種植的設(shè)備（Veggie）,。圖片來源：NASA

國際空間站中種植出來的辣椒,。圖片來源：ISS Research

為了尋找更加簡便又節(jié)省空間和成本的方法,，有科學(xué)家將目光投向了小行星：從小行星開采有機(jī)物，經(jīng)過簡單處理后喂食給細(xì)菌,，細(xì)菌會消化它們,，并形成人類可食用的有機(jī)物。

小行星中也有有機(jī)物

人類對小行星的研究已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百年,，雖然當(dāng)時我們無法直接從小行星獲取樣本,，但這并不妨礙它們自己過來找我們，每年都會有大量小行星的碎片墜落到地球上,，我們將其稱之為隕石,，根據(jù)估算，每年墜落的隕石數(shù)量高達(dá)1.7萬顆,。

經(jīng)過長期研究,，科學(xué)家們將隕石按照成分分為三大類：石隕石、石鐵隕石,、鐵隕石,，并依據(jù)隕石中的具體結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)一步將這三大類隕石分為更多的隕石組,，比如,，在石隕石之下又按照隕石的結(jié)構(gòu)，將其分為球粒隕石和無球粒隕石,，球粒隕石指的就是隕石中存在球狀顆粒的類型,。據(jù)統(tǒng)計(jì)，墜落在地球上的隕石中有86%都是球粒隕石,。

Allende隕石上的球粒,。圖片來源：Wikipedia

這些隕石中的球粒被認(rèn)為在太陽系形成之初，由星云物質(zhì)直接冷卻形成的,，它們形成后由小球粒結(jié)合形成小個頭的小行星,，小行星們又互相碰撞生長,，形成如今太陽系內(nèi)的巖質(zhì)行星,，而那些未能形成巖質(zhì)行星的小行星們則集中在了小行星帶。

根據(jù)墜落在地球上的球粒隕石的高比例,，可以推斷在小行星帶內(nèi)的絕大部分小行星的成分也都與球粒隕石類似,，而且由于球粒是太陽系內(nèi)最古老的固體物質(zhì)之一，對于研究太陽系早期的歷史具有重大意義,，科學(xué)家們對球粒隕石的研究非常上心,，并對它們的成分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

他們將球粒隕石分為15個不同的隕石組（CI,，CM,，CO，CV,，CK,，CR，CH,，CB,，H，L,，LL,，EH，EL,，R和K）,，其中以C開頭的被歸為碳質(zhì)球粒隕石，在這些隕石中含有濃度非常高的有機(jī)化合物,，有些隕石中有機(jī)物可能占其重量的5%左右,。

其中，被研究得很深的碳質(zhì)球粒隕石包括默奇森隕石（Murchison）和塔吉什湖隕石（Tagish Lake）,，科學(xué)家們在它們中發(fā)現(xiàn)了包括酮,、烷烴、羧酸,、氨基酸,、甲烷以及多環(huán)芳烴在內(nèi)的多種小分子有機(jī)物，但是其中絕大部分有機(jī)物都是大分子有機(jī)物,，默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機(jī)物成分見下圖,。

默奇森隕石和塔吉什湖隕石的主要有機(jī)物成分。

這些有機(jī)物在剛被發(fā)現(xiàn)的時候,，引發(fā)了全球歡呼,，人們紛紛相信在外星存在生命，甚至就連地球上的生命也都來自外星,，因?yàn)楫?dāng)時人們認(rèn)為只有生命過程才能形成有機(jī)物,。但是很快，經(jīng)過詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn),，在自然狀態(tài)下,，化學(xué)反應(yīng)也能形成有機(jī)物，比如氨基酸的形成就僅需一些簡單的無機(jī)物：

由簡單無機(jī)物形成氨基酸（最右側(cè)化學(xué)式）的化學(xué)反應(yīng)方程式,。圖片來源：Wikipedia

此外，這些有機(jī)物均由自然的化學(xué)反應(yīng)形成的證據(jù)還包括：隕石和地球上的同種有機(jī)物在分子結(jié)構(gòu)上是存在差異的,，許多都是同分異構(gòu)體（分子式相同,，結(jié)構(gòu)不同）；手性不同,，隕石中的有機(jī)物既有左旋,，也有右旋，但地球上由生命形成的有機(jī)物都只有左旋結(jié)構(gòu),。

氨基酸的手性示意圖，它們的結(jié)構(gòu)鏡像對稱,，但是無法通過平移重合到一起,。圖片來源：Wikipedia，作者

而且隨著科技的進(jìn)步,，科學(xué)家們也開始在遙遠(yuǎn)的星云中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物的信號,，這一切都在告訴我們，有機(jī)物在宇宙中是廣泛存在的,。時至今日,，隕石中、宇宙中存在有機(jī)物這件事已經(jīng)成為科學(xué)界的常識,。

怎么才能“吃掉”小行星,？

由于這些隕石中含量最大的有機(jī)物都是一些類似塑料的大分子有機(jī)物，直接“吃”肯定是不現(xiàn)實(shí)的,，因此科學(xué)家們借鑒了一個最新實(shí)現(xiàn)的塑料微生物處理實(shí)驗(yàn),。在這個實(shí)驗(yàn)中，人們將塑料熱解（400℃~900℃），讓大分子的長鏈有機(jī)物破壞形成一系列低分子量的碳?xì)浠衔?，然后利用?xì)菌處理這些碳?xì)浠衔?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能正常消化這些碳?xì)浠衔铮⒋罅糠敝场?/p>

科學(xué)家們認(rèn)為,，未來航天員也可以利用熱解的方式處理開采出來的富含碳質(zhì)球粒的小行星礦物,，然后利用細(xì)菌消化這些物質(zhì)，由于細(xì)菌生長速度極快,，它們將會源源不斷地為航天員提供足夠的食物,。

此外，就在今年,，還有科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，如果直接將隕石打碎成粉,，在缺氧條件下,，假單胞菌科的一些細(xì)菌甚至能直接利用這些隕石粉末生存并長期繁殖下來。

這些實(shí)驗(yàn)都證明,，先利用細(xì)菌“吃”小行星,，人再“吃”細(xì)菌產(chǎn)生的生物質(zhì)，這可能是一個前景廣闊的太空食物方案,。

為了搞清楚小行星能提供多少有機(jī)物,，科學(xué)家們以小行星（101955）貝努（Bennu）為例進(jìn)行了計(jì)算。小行星貝努是人類目前已經(jīng)登陸并取回樣本的兩顆小行星之一,，另一顆為小行星（162173）龍宮（Ryugu）,，貝努的直徑小于500米，質(zhì)量為7760萬,，且其成分與碳質(zhì)球粒隕石成分相似,。

小行星貝努,。圖片來源：Wikipedia

經(jīng)過計(jì)算,，他們發(fā)現(xiàn)，僅小行星貝努在最低效率情況下產(chǎn)生的生物質(zhì),，足夠631位航天員一年的食物消耗,，而在最高效率的情況下，足夠17000位航天員一年的食物消耗,。

通過換算后科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，在最低效率情況下，為了供應(yīng)一位航天員一年的食物需求,，需要處理大約16萬噸小行星礦物,；在最高效率情況下，則僅需處理5000噸小行星礦物。

通過計(jì)算得到的小行星貝努能提供的最低（橘色方框）和最高（紅色方框）食物量。

雖然這個研究看上去很有前途,，但未來的航天員如果真的在執(zhí)行長期任務(wù)時必須以細(xì)菌為生的話,，這多少慘了點(diǎn)吧？

未來還需更多探索

發(fā)現(xiàn)小行星作為未來航天員食物來源的潛在價(jià)值不僅是對傳統(tǒng)太空食品供應(yīng)體系的一次革新,，更是人類適應(yīng)極端環(huán)境,、實(shí)現(xiàn)星際旅行夢想的重要一步。

當(dāng)然,，將小行星轉(zhuǎn)化為食物來源仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)與倫理考量,，讓我們以開放的心態(tài)和不懈的努力，繼續(xù)在這條充滿未知與奇跡的太空探索之路上前行,?；蛟S在不遠(yuǎn)的將來，小行星將不再僅僅是宇宙中的孤獨(dú)旅者,，而是人類探索宇宙的親密伙伴,。