在红色星球上种绿色

来源：牧夫天文

在安迪·威尔（Andy Weir）所著、被好莱坞改编成科幻电影巨制的《火星救援》里，男主角马克·沃特尼（Mark Watney）与同伴一起在火星上执行任务时突逢意外，任务中断。同伴都以为他已经遇难并返回地球，马克·沃特尼孤身一人困在了火星。幸好，他身边还有宇航服和一个居住舱，但是他仍旧没有足够的食物和水活到有朝一日NASA营救他的那一天。

在沃特尼等待救援的几年时间里，许多设施都可能会出现问题。例如，如果供氧设施停止工作，那么沃特尼很可能会死亡，因为火星大气并没有足够的氧气来维持人类生存。幸运的是，沃特尼是一名植物学家，火星上的居住舱恰好还有剩余的土豆可以让他来种植。然而，我们都知道，火星是一个荒芜的星球，上面从来没有绿色植物生长过。

火星荒芜的表面

Credit: NASA

那么，沃特尼到底是怎样给火星上的土壤施肥的？在火星上制水真的有可能吗？

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太像了

火星的环境对于生命来说非常恶劣，但是它似乎仍旧是我们太阳系除地球外最宜居的行星。NASA表示，火星在数十亿年前甚至还拥有过像我们地球上一样的海洋。甚至地球上的一些地方与火星极其相似，比如南极洲的部分区域、夏威夷和南美洲。

科学家从1960年代就开始了对火星的研究。他们发射过小型航天器，飞掠、环绕并降落在火星。然而，这些航天器的探测表明，即使火星与地球上的一些地方很相似，但它依然还是一颗环境恶劣的星球。

首先，火星的大气有95%都是令人类窒息的二氧化碳气体。其次，火星比地球寒冷多了，很大程度上是因为这颗红色星球离太阳的距离比地球要远很多。NASA在1976年曾经有一个登陆火星的“海盗任务”，记录的火星平均温度是零下81℉（68℃），比地球的北极和南极都冷。所以，一旦没有保护，不管是植物、人类还是任何活着的生物都会冻僵。

NASA的科学家们在美国亚利桑那州进行测试，为探索火星和其它目的地做准备。

Credit: The Mars Society

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改造火星的土壤

研究表明，火星土壤确实含有植物生长和生存所必需的一些营养物质。然而，由于火星的极度寒冷，与沃特尼种的土豆类似的植物需要在一个温度可控的环境生长，就比如故事中提到的环境控制居住舱。另外，就像在地球上一样，火星土壤中的营养成分可能因地而异。因此，困在火星上的人们应该用“独特”的方法给土壤施肥——比如像沃特尼那样利用自己的粪便。

植物只有在富含氮、磷、钾等营养物质的土壤里才能生长良好。当土壤没那么肥沃时——即使是仅仅缺少其中一种营养物质——植物也不会长得那么好。而化肥不仅能够双倍或三倍提高农作物的产量、增加其营养成分含量，化肥甚至能够为作物提供一些土壤里所没有的营养。

火星上，沃特尼没有任何人造肥料的加持。因此，他使用的“肥料”就是他的粪便——富含营养且有机。事实上，在农业发展的早期，技术还不那么先进的时候，地球上的农民就是使用粪便来施肥以补充重要的营养物质，例如氮和磷。

Credit: Thom Glick

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生存还得靠必需营养元素

为制造生命必需的能量，植物需要进行光合作用，这是一系列将水和二氧化碳转化为糖类和氧气的化学反应。这些化学反应可以被写成下式(在本例中，糖是葡萄糖(C6H12O6)):

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

想要进行光合作用，植物还需要各种如氮、磷、钾等的营养物质。叶绿素是使植物叶片呈现绿色并捕获光合作用所需阳光的物质，而氮是叶绿素的关键成分；磷参与了光合作用中的化学反应；钾有助于叶片上气孔的打开和关闭，从而吸收光合作用使用的二氧化碳和水。

这项实验在美国犹他州的火星沙漠研究站进行，目的是为了观察温度和大气对站内植物生长的影响。

Credit: Utah's Mars Desert Research Station

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红色星球，绿色作物！

当我们真正踏上火星，要决定我们下一步的动作其实是很纠结的。但就《火星救援》里来说，沃特尼的方法成功了。科学家们也利用与火星土壤相似的夏威夷火山土壤模拟了火星环境，并做了植物实验。实验结果表明，植物实际上可以在类似火星的土壤上生长。

当然，未来的火星探索者们要考虑的事情还有很多，不仅仅是如何种植物。如前文所说，火星的大气主要是二氧化碳，而植物则恰恰需要这种气体进行光合作用，就像我们需要氧气来呼吸那样。

此外，研究表明在火星上浇灌植物比在地球上对水的需求量更少——这是因为火星的引力与地球不同（火星表面的重力大小只有地球的38%），水在火星土壤中的流动与在地球上有所差别。简单地说，在火星较为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，而且水分和养分流失得更慢。

然而，火星上的有些条件会让植物难以生长。例如，火星的极端低温就难以使生命存活。由于火星离太阳比地球远约5千万英里，能够到达火星的阳光和热量比到地球上少的多得多。而且，火星的大气并没有地球的那么厚，所以不能像地球大气那样保存那么多的热量。

自上世纪80年代末，NASA的植物学家就一直在研究如何在水培溶液中种植土豆(如图)。此技术预计会被用于火星任务。

Credit: NASA

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水，生命之源！

故事中，居住舱的水存储量远远支撑不了沃特尼的日常需求以及土豆灌溉。但是，沃特尼想出了一种能够从零开始造水并且灌溉土豆的方法。

造水的过程听起来并不是很复杂：只需要分别加入氧气和氢气，并把他们点燃就能够得到纯净水了。氧气很容易得到，只需要让居住舱的氧合器把氧气从火星大气中分离出来就行了；但是问题在于，沃特尼手头没有氢气。

为了获取到氢气，沃特尼使用了联氨（N2H4）。这是一种无机化合物，广泛应用于火箭、卫星和航天器的推进。他有几百升未使用的联氨。沃特尼将联氨分解成氮气和氢气，从而将氢气和氧气放在一起点燃，生成了水，就像下面的公式这样：

2 H2 + O2 ⇾ 2 H2O

所以实际操作起来这样造水真的可行吗？其实不然，因为通过氢和氧的燃烧来造水太过危险了——所以不用多强调，你也不会在自己家里尝试这件事。但是沃特尼没有别的选择。他极其小心地慢慢燃烧氢气和氧气，以免炸掉自己。

火星被认作是人类太空飞行的下一个新领域。科学家们认为，数百万年前，这颗红色星球上很有可能居住着或居住过生命。它是离我们最近的可能容纳生命的地方，即使它们可能仅仅是微生物。而当人类真正踏上火星的时候，或许正在读文章的你也已经是被选中探索这颗红色星球的宇航员之一了！