在紅色星球上種綠色_風聞

翻譯：陳一萱

參考文章：

https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/2016-2017/april-2017/growing-green-on-the-red-planet.html

校對：牧夫天文校對組

排版：陳一萱

後台：庫特莉亞夫卡 李子琦

在安迪·威爾（Andy Weir）所著、被好萊塢改編成科幻電影鉅製的《火星救援》裏，男主角馬克·沃特尼（Mark Watney）與同伴一起在火星上執行任務時突逢意外，任務中斷。同伴都以為他已經遇難並返回地球，馬克·沃特尼孤身一人困在了火星。幸好，他身邊還有宇航服和一個居住艙，但是他仍舊沒有足夠的食物和水活到有朝一日NASA營救他的那一天。

在沃特尼等待救援的幾年時間裏，許多設施都可能會出現問題。例如，如果供氧設施停止工作，那麼沃特尼很可能會死亡，因為火星大氣並沒有足夠的氧氣來維持人類生存。幸運的是，沃特尼是一名植物學家，火星上的居住艙恰好還有剩餘的土豆可以讓他來種植。然而，我們都知道，火星是一個荒蕪的星球，上面從來沒有綠色植物生長過。

火星荒蕪的表面

Credit: NASA

那麼，沃特尼到底是怎樣給火星上的土壤施肥的？在火星上制水真的有可能嗎？

1

太像了

火星的環境對於生命來説非常惡劣，但是它似乎仍舊是我們太陽系除地球外最宜居的行星。NASA表示，火星在數十億年前甚至還擁有過像我們地球上一樣的海洋。甚至地球上的一些地方與火星極其相似，比如南極洲的部分區域、夏威夷和南美洲。

科學家從1960年代就開始了對火星的研究。他們發射過小型航天器，飛掠、環繞並降落在火星。然而，這些航天器的探測表明，即使火星與地球上的一些地方很相似，但它依然還是一顆環境惡劣的星球。

首先，火星的大氣有95%都是令人類窒息的二氧化碳氣體。其次，火星比地球寒冷多了，很大程度上是因為這顆紅色星球離太陽的距離比地球要遠很多。NASA在1976年曾經有一個登陸火星的“海盜任務”，記錄的火星平均温度是零下81℉（68℃），比地球的北極和南極都冷。所以，一旦沒有保護，不管是植物、人類還是任何活着的生物都會凍僵。

NASA的科學家們在美國亞利桑那州進行測試，為探索火星和其它目的地做準備。

Credit: The Mars Society

2

改造火星的土壤

研究表明，火星土壤確實含有植物生長和生存所必需的一些營養物質。然而，由於火星的極度寒冷，與沃特尼種的土豆類似的植物需要在一個温度可控的環境生長，就比如故事中提到的環境控制居住艙。另外，就像在地球上一樣，火星土壤中的營養成分可能因地而異。因此，困在火星上的人們應該用“獨特”的方法給土壤施肥——比如像沃特尼那樣利用自己的糞便。

植物只有在富含氮、磷、鉀等營養物質的土壤裏才能生長良好。當土壤沒那麼肥沃時——即使是僅僅缺少其中一種營養物質——植物也不會長得那麼好。而化肥不僅能夠雙倍或三倍提高農作物的產量、增加其營養成分含量，化肥甚至能夠為作物提供一些土壤裏所沒有的營養。

火星上，沃特尼沒有任何人造肥料的加持。因此，他使用的“肥料”就是他的糞便——富含營養且有機。事實上，在農業發展的早期，技術還不那麼先進的時候，地球上的農民就是使用糞便來施肥以補充重要的營養物質，例如氮和磷。

Credit: Thom Glick

3

生存還得靠必需營養元素

為製造生命必需的能量，植物需要進行光合作用，這是一系列將水和二氧化碳轉化為糖類和氧氣的化學反應。這些化學反應可以被寫成下式(在本例中，糖是葡萄糖(C6H12O6)):

6 CO2 (g) + 6 H2O (l) ⇾ 6 O2 (g) + C6H12O (aq)

想要進行光合作用，植物還需要各種如氮、磷、鉀等的營養物質。葉綠素是使植物葉片呈現綠色並捕獲光合作用所需陽光的物質，而氮是葉綠素的關鍵成分；磷參與了光合作用中的化學反應；鉀有助於葉片上氣孔的打開和關閉，從而吸收光合作用使用的二氧化碳和水。

這項實驗在美國猶他州的火星沙漠研究站進行，目的是為了觀察温度和大氣對站內植物生長的影響。

Credit: Utah’s Mars Desert Research Station

4

紅色星球，綠色作物！

當我們真正踏上火星，要決定我們下一步的動作其實是很糾結的。但就《火星救援》裏來説，沃特尼的方法成功了。科學家們也利用與火星土壤相似的夏威夷火山土壤模擬了火星環境，並做了植物實驗。實驗結果表明，植物實際上可以在類似火星的土壤上生長。

當然，未來的火星探索者們要考慮的事情還有很多，不僅僅是如何種植物。如前文所説，火星的大氣主要是二氧化碳，而植物則恰恰需要這種氣體進行光合作用，就像我們需要氧氣來呼吸那樣。

此外，研究表明在火星上澆灌植物比在地球上對水的需求量更少——這是因為火星的引力與地球不同（火星表面的重力大小隻有地球的38%），水在火星土壤中的流動與在地球上有所差別。簡單地説，在火星較為微弱的的重力作用下，火星土壤能比地球上保存更多的水分，而且水分和養分流失得更慢。

然而，火星上的有些條件會讓植物難以生長。例如，火星的極端低温就難以使生命存活。由於火星離太陽比地球遠約5千萬英里，能夠到達火星的陽光和熱量比到地球上少的多得多。而且，火星的大氣並沒有地球的那麼厚，所以不能像地球大氣那樣保存那麼多的熱量。

自上世紀80年代末，NASA的植物學家就一直在研究如何在水培溶液中種植土豆(如圖)。此技術預計會被用於火星任務。

Credit: NASA

5

水，生命之源！

故事中，居住艙的水存儲量遠遠支撐不了沃特尼的日常需求以及土豆灌溉。但是，沃特尼想出了一種能夠從零開始造水並且灌溉土豆的方法。

造水的過程聽起來並不是很複雜：只需要分別加入氧氣和氫氣，並把他們點燃就能夠得到純淨水了。氧氣很容易得到，只需要讓居住艙的氧合器把氧氣從火星大氣中分離出來就行了；但是問題在於，沃特尼手頭沒有氫氣。

為了獲取到氫氣，沃特尼使用了聯氨（N2H4）。這是一種無機化合物，廣泛應用於火箭、衞星和航天器的推進。他有幾百升未使用的聯氨。沃特尼將聯氨分解成氮氣和氫氣，從而將氫氣和氧氣放在一起點燃，生成了水，就像下面的公式這樣：

2 H2 + O2 ⇾ 2 H2O

所以實際操作起來這樣造水真的可行嗎？其實不然，因為通過氫和氧的燃燒來造水太過危險了——所以不用多強調，你也不會在自己家裏嘗試這件事。但是沃特尼沒有別的選擇。他極其小心地慢慢燃燒氫氣和氧氣，以免炸掉自己。

火星被認作是人類太空飛行的下一個新領域。科學家們認為，數百萬年前，這顆紅色星球上很有可能居住着或居住過生命。它是離我們最近的可能容納生命的地方，即使它們可能僅僅是微生物。而當人類真正踏上火星的時候，或許正在讀文章的你也已經是被選中探索這顆紅色星球的宇航員之一了！

『天文時刻』 牧夫出品

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Credit：NASA/Bill Ingalls