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将两种荒漠藻送上3万米高空停留4小时全部存活 “藻王”梦想用藻

浏览数:  发表时间:2022-01-21  

  橘红色星球上的荒凉大地给了刘永定一个梦:用藻改造火星,让它变成绿色,适宜人类生存。武汉科学家、中国藻类学会理事长刘永定坚信,早期的地球之所以变成今天的绿色星球,藻起了至关重要的作用,反过来,藻一定可以改变火星。

  12月10日,在昆明市滇池高原湖泊研究院刘永定院士工作站,从事了40多年藻类研究的刘永定说,把藻送上火星是他最后的梦想,火星地球化(即将火星改造成适合地球生命栖息的星球)应该是21世纪人类最伟大的冒险和挑战。

  今年9月中旬,一颗硕大的氦气球从柴达木盆地大柴旦的上空徐徐升起,吊篮中放置的数十个铝合金盒子中装着两种荒漠藻拟甲色球藻和念珠藻。氦气球越飞越高,也越来越小,最后消失在大家的视野中,飞到了3万米高空的地球临近空间。

  氦气球是天亮前放飞的,确保正午前到达临近空间这里温度为-30多摄氏度,紫外线强烈,氧气稀薄,与火星环境极为相似。

  两种荒漠藻究竟能不能活下来,让地面的中国科学院水生生物研究所(以下简称“中科院水生所”)王高鸿博士有些担心。

  此次试验前后持续7个小时。“拟甲色球藻和念珠藻全部存活!”试验结果表明,在临近空间停留4小时的两种荒漠藻全部成活,王高鸿第一时间将这一结果告诉远在武汉的中国藻类学会理事长、中科院水生所研究员刘永定。

  “我们离刘老师的设想越来越近了。”王高鸿告诉记者,为了证明藻类能够在火星上存活,刘永定带领他们先后进行了4次类火星环境荒漠藻耐受试验。

  2019年6月,第一次试验在内蒙古乌拉特中旗进行。团队利用高空气球将小球藻、念珠藻等4种荒漠藻送上3万米高空,结果因吊舱设备温度过高,与火星地表温度并不一致,4种荒漠藻虽然均存活,但试验并不完美。

  当年9月,团队将试验地点选在了柴达木盆地北沿的大柴旦。这里的环境从地面到高空都与火星环境有很多相似之处。试验用的小球藻、念珠藻和微鞘藻,在-40℃到40℃的环境中,3个小时全部存活。

  2020年9月,同样在大柴旦,试验团队将氦气球升空高度进行调整,试验荒漠藻在不同的高度和环境的生命状态。在2万余米高空、零下-20℃至20℃的气温中,紫外线辐射强度是火星的一半。这次实验进行了7小时,放置在吊篮中的拟甲色球藻、念珠藻全部存活。

  “目前只能说是存活,而不是生长繁衍。”王高鸿说,4次试验都说明藻的生命力顽强,作为模拟火星环境的试验,荒漠藻能否在火星表面繁衍生长还需要进一步试验。

  在今年的试验中,他们还特意用了保温装置,重点观察藻对紫外线辐射的耐受力。火星上还有地下湖、盐湖甚至液态水,即使淡水藻类不能生存,王高鸿相信总会有其他极端环境藻类可能存活并生长繁殖。

  “火星的磁场消失,导致环境恶性循环,而地球诞生之初同样环境恶劣,但地球上出现的藻类逐渐改良了地球环境。”在刘永定看来,藻类对物种起源和生命演化发挥了重要作用;火星上的环境特点与早期地球陆地极为接近,人类探索火星,藻类植物或许能帮上大忙。

  藻是大约35亿年前出现在地球上的,此前的地球被厚厚的二氧化碳包裹,没有氧气,更没有任何生物,类似于今天的火星。就拿古老的蓝藻来说,世界已知的蓝藻约有2000种。30多亿至25亿年前,最原始的蓝藻是简单的单细胞球状蓝藻,25亿至17亿年前出现丝状蓝藻,19亿年前丝状蓝藻中出现了带异形胞的念珠藻。

  蓝藻是光合自养生物,利用阳光、水、氮、磷和其他营养物质进行光合作用,将二氧化碳同化为有机碳化合物,并且释放出氧气。“太空中是强辐射、微重力、亚磁环境、无水而且骤冷骤热,藻类在地面50%会自然变异,遗传的变异性与保守性同时存在,空间环境会影响生命的过程,有些可以修复有些难以修复。”刘永定说,高空环境与藻类的变异有多大关联仍需要进一步研究。

  今年78岁的刘永定从事藻类研究已有40余年。1979年,刘永定考上了中科院水生所的研究生,师从后来成为院士(学部委员)的我国著名藻类专家黎尚豪。刘永定自此与藻结缘一生,被学界称为“藻王”。

  早在20世纪80年代末,刘永定就注意到,我国胡焕庸线(即我国地理学家胡焕庸提出的划分我国人口密度的对比线)东侧的许多水体常有蓝藻水华形成,甚至暴发。

  蓝藻水华是诸多藻华类型中最普遍最严重的一种。含有丰富氮、磷营养的污染物进入江河湖库海洋等地球表面的水体以后,为水体中藻类及其他水生植物提供了营养,使藻类、水生植物大量繁殖、死亡,导致水中溶解氧降低,水质恶化,鱼贝类死亡,这种现象即水体的富营养化。而藻华就是水体富营养化的表征,是营养物质加富循环受阻的表现。“我国有学者认为三国时代就有藻华的历史记录,说明藻华由来已久,也是世界性广泛存在的现象。”

  20世纪90年代末,世界园艺博览会要在云南昆明举办,滇池的水葫芦、蓝藻水华比较严重,导致滇池水质恶化到劣V类。如何让滇池水质尽快好起来,中科院把这艰巨任务交给了位于武汉的中科院水生所。1995年,51岁的刘永定“挂帅出征”,担任滇池治污和控藻的首席科学家。

  26年的滇池治理,藻类的顽强生命力给了刘永定深刻印象。“仅微型藻就有4万种,而超微型藻有人预测达百万种之多,用电子显微镜才能看到。”在滇池控藻的过程中刘永定突发奇想,在水中,藻类的强大繁衍力和蔓延力是危害,若是在沙漠中呢?

  很快,刘永定在沙漠中发现一种荒漠藻,它们不怕晒不怕冻,耐旱耐高温,还抗紫外线辐射。只要有一点水,荒漠藻就能生长,在沙面上逐渐形成一层结皮,有神奇的固沙效果。这种结皮富含有机质和营养成分,能够加速土壤的形成。

  2001年起,刘永定带领中科院水生所团队在内蒙古库布齐沙漠中“播藻”,效果明显,并在乌兰布和沙漠、毛乌素沙地等地推广开来,目前数万亩沙漠已经被荒漠藻染绿。“我们不是把原本就是沙漠的地区变成绿洲,而是要让荒漠化的土地恢复曾经的绿色。”刘永定说。

  2005年,刘永定在上海参加学术论坛时,看到火星上的大幅照片,联想到自己在库布齐沙漠的治理试验,“能不能将藻类移植到火星上去呢?用荒漠藻结皮技术改造火星。”刘永定觉得,藻类自身可以进行光合作用,将大自然的二氧化碳和水合成有机物;在合成的过程中,大多数植物需要氮肥,而一些藻类则不需要,它自己可以固氮,生物学中称为“全自养”。“要在外星球创造一个人居环境,火星是一个很好的尝试点。”刘永定说。

  刘永定的突发奇想引来同行打趣:“别人都是想把外太空的东西拿回来,就你刘永定想把地球的东西拿到外太空去。”打趣归打趣,刘永定仍坚定了自己的想法。

  其实,刘永定几十年前就开始把探索的目光转移到了外太空。1987年,从德国留学回国的刘永定接到了一项重要任务:开展空间生物学研究,探索利用藻类帮助宇航员在太空长期生存。

  这些年来,刘永定带领团队先后参与6次返回式卫星试验和2次神舟飞船试验,研究在太空微重力、强辐射、极端温度等不利条件下,通过生物的手段建立生命保障系统。试验中,他们通过人工培育藻类植物,保证了螺蛳等小动物在太空中存活,为我国载人航天的相关探索提供了重要理论支持。

  “水泡螺、轮虫、藻类、细菌,放在一起组成一个封闭的生态系统。”曾任中国载人航天飞船应用系统生命科学分系统副主任设计师的刘永定向记者回忆,这些生物体最小的直径仅有几个微米大小,要把它们放在一个香烟盒大小的盒子里,里面要放营养液,构成一个生态循环系统,有生产者藻类、消费者水泡螺、分解者细菌,建立成一个封闭生态系统和生物链,研究生命生存所需要的水、空气和食物的再生。

  太空中是没有条件支持生命的,小盒子中的生物要想存活,就需要氧气和水。这些必要条件的产生,除了用化学、物理办法解决,就是靠此次的生物办法。“一旦有了持久的氧气、干净的水,今后航天员、人类要长期驻留太空就成为可能。”刘永定说。

  正因为在空间领域的巨大贡献,藻类专家刘永定当选国际宇航科学院院士,这也更加坚定了他用藻类改造火星环境的梦想。

  13年前刘永定办理了退休手续,退休后他没有一天是闲着的。滇池从“泪珠”到“明珠”,刘永定默默付出了26年。随着滇池水质的趋稳向好,他将忙碌的脚步移向洱海、异龙湖云南的高原湖泊他总是放心不下,每年有一半时间是在云南度过的。

  “这么大年纪还在外奔波,亲自下海采样。”洱海边,刘永定的农民朋友王畅对刘永定有些不解“这么大年纪还要奋斗?”“不是奋斗,是边做边玩。”刘永定笑着解释。

  “边做边玩”是刘永定的口头禅。他怕别人担心自己的身体,这样说别人就不用担心了。“虽然胆囊切了,胃也切了1/3,但身体没其他大毛病,需要我来我就会来。干活时心情舒畅,不干活就会憋得慌。”刘永定说,他看起来需要人搀扶,身体并无碍,只是走路稍慢。

  “一个电话就来了,刘老师对洱海贡献巨大。”上个月退休的大理州洱海湖泊研究院负责人卫志宏感慨。在卫志宏的印象中,刘永定干起工作很拼,一个电话他就来了,每天忙碌十五六个小时,也不午休,只在车上打个瞌睡。

  12月5日,正在云南省海通县杞麓湖边忙碌的刘永定接到电话,希望他次日能到大理,出任生态环境部主导的洱海生态调查项目首席科学家。同一时间,水利部南水北调工程管理司邀请刘永定前往郑州开会,研讨南水北调水源质量保护。

  “幸亏郑州的会议推迟了,否则分身无术。”12月6日,刘永定如约赶到大理。如今已有15名技术骨干的大理州洱海湖泊研究院,正是在刘永定的帮助下建立起来的。经过系统治理,洱海水质近10年都维持在Ⅱ类和Ⅲ类水质之间,其中一年中多数月份为Ⅱ类水质。

  在烟波浩渺的滇池边,刘永定经常抬头凝望,深邃的天空有他的另一个梦想。藻把他与太空紧紧相连,他时刻关注着那颗橘红色的火星。

  今年8月,美国国家航空航天局(NASA)正式向社会公开招募火星体验者,在航天中心内建造的模拟火星基地内居住一年,为将来人类登陆火星长期生活积累经验。这一消息同样引起刘永定的关注“我们不能落后,藻的火星试验还要加快。”

  火星是太阳系的第四颗行星,也是与地球最为相似的行星。二者都有大气层、岩石质表面、相似的表面形貌、火山构造、岩石类型和四季变化等。从大气成分和结构来看,火星大气层很薄,表面平均气压只有地球的0.75%,95%的成分为二氧化碳,3%的氮气,1.6%的氢气,氧气、水汽、一氧化碳、氖、氪和氙等很少,充满尘埃。

  首次火星探测任务科学目标先期研究团队成员、中国地质大学(武汉)肖龙教授对刘永定研究员用藻改造火星的设想很认同,觉得理论上可行。肖龙认为,目前刘永定团队试验外太空强辐射对藻的影响很有必要,将来火星生物试验能不能带藻类生物上火星,这一点很关键。

  火星表面温度白天最高可达35℃,夜晚可低至-143℃,平均-63℃。火星大气中的二氧化碳量是地球的数倍,但因缺乏水汽,所以温室效应比地球低。火星表面主要的地貌类型有大的盾形火山、峡谷地貌和干涸的河床、古湖泊、撞击盆地和撞击坑、两极区冰盖和沉积层、风成沙丘等。“这些看似环境恶劣,但是藻类的繁殖力很强,是一种优势。另外火星上主要是二氧化碳,氧气很少,藻会消耗二氧化碳产生氧气为其他生物提供生存机会。”肖龙说。

  藻登陆火星后该如何生存?王高鸿解释,荒漠藻不同于有些水生藻类晒个太阳就死了,荒漠藻生命力顽强,而且种类繁多,有成百上千种,要是有一种可以在火星上合适的环境里生长发育,可以说染绿火星的梦就成了。

  火星岩石风化形成的土壤类似于石头渣,不能为植物提供足够的矿质元素。但荒漠藻和其他微生物结合起来可以把火星岩石里的钙、镁、铁等元素解离出来,变成生物可利用的矿质元素,这样其他植物也就能吸收,这就可以加快火星岩石的成土化过程。另外火星大气里含95%的二氧化碳,这些高含量的二氧化碳对动物有毒,但是对藻而言是营养物质,藻可以通过光合作用合成葡萄糖、蛋白质等有机物,同时排出氧气等,起着改良火星大气的作用,还可以为其他生物提供生存条件。这样藻类在改造火星环境方面就充当了“先锋生物”,如同35亿年前在地球上发生的一样,也是藻来改造地球环境。

  “把藻送上火星,一定是可以期待的,虽然暂时没有实施方案,但不能临渴掘井,做任何事情都要有前瞻性。”幽默风趣的刘永定内心总是忧心忡忡,时刻关注着祝融号火星车的动态,他希望能活到中国人登上火星的那一天,能用藻染绿火星。他说:“地球是人类的摇篮,但不能永远待在摇篮里,应该走出去。”