论文标题：Synthetic Biology for Terraformation Lessons from Mars, Earth, and the Microbiome(来自火星、地球和微生物组的合成生物学地球改造经验)

期刊：Life

作者：Nuria Conde-Pueyo et al.

发表时间：9 February 2020

DOI：10.3390/life10020014

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/life

原文通讯作者简介

Professor Ricard Solé

西班牙庞培法布拉大学

Ricard Solé教授目前就职于西班牙庞培法布拉大学，是该校ICREA-复杂系统实验室的负责人。主要负责生物数学、生物设计原理和生物计算等课程。Ricard Solé教授在巴塞罗那大学取得物理学和生物学学位，在加泰罗尼亚理工大学取得物理学博士学位。同时，也是圣达菲研究所 (美国新墨西哥州) 的外聘教授、加州大学旧金山分校进化与癌症中心的外聘教师、欧洲复杂系统协会理事会成员，并在Life 期刊担任客座编辑。Ricard Solé教授的主要研究兴趣是了解复杂系统中可能存在的通用组织模式，从益生元复制子、癌症、多细胞性、病毒、原始细胞或语言到进化的人造物体。

引言

地球化的观念根植于科幻小说和真实的科学中，这个词由科幻作家杰克·威廉森 (Jack Williamson) 在1942年Astounding Science Fiction杂志的一篇小说中第一次提出。地球化 (Terraforming) 是设想中人为改变天体表面环境，使其气候、温度、生态类似地球环境的行星工程。现在太空探索还处在萌芽阶段，很多地球化的计划还处在设想阶段。从人类对自己世界的了解来看，人为影响改变自然环境是可行的，但在另一个行星上建造不受自然控制的类地球生物圈的可行性还有待证明。

来自西班牙庞培法布拉大学ICREA-复杂系统实验室的Nuria Conde-Pueyo等人在Life 期刊发表了一篇有关合成生物学在地球化中的应用的论文，旨在利用合成生物学找到摆脱全球变暖导致生态系统加速退化的潜在途径，并探讨处理非循环工业代谢造成的废物和污染的主要来源的相关策略。近期该文章被维基百科的行星工程词条收录。

合成生物学是近年来出现的一种新兴学科，同时，它作为一种研究方法也在不断与其他学科交联迸发出新的研究领域。随着研究的不断深入，地球化的内容也在进一步完善中。作者指出，“与非生物机制相比，微生物具有显著优势。它们可以自我复制，不需要将大型机械运输或制造到火星表面。微生物还可以在几乎不需要维护的情况下进行复杂的化学反应 (如图1所示)，以实现行星尺度的地球改造。”这正是作者在Life所发表的论文标题“Synthetic Biology for Terraformation Lessons from Mars, Earth, and the Microbiome”的体现。

图1. 一些最小合成超循环的例子。

研究内容

地球化这个概念最初出现在学者们讨论改变火星生活水平和条件的可能性时，意思是改变火星上的大气和平均温度使其更接近人类生活所需的水平。从目前的科研水平来说，这是一个遥不可及的梦想。但这个概念正以不同的方式应用，来探索人类对星球进行地球化改造的可能性。地球化的主要目的是建立一个适合人类居住的生态环境。

从行星尺度来讲，地球化将火星的冰点温度和稀薄的大气层推向更像地球的状态，在这种情况下，液态水也可以稳定。尽管目前存在一些技术限制，但火星现在非常接近液态水可能存在的三相点 (在压力-温度相空间中)。从火星地形改造的早期工作中可以收集到哪些与地球生物工程相关的经验教训？或者可以从对地球上复杂群落的理解中获得哪些相关线索 (如图2所示)，来改变火星地球化学并将活生物体带到那里的未来战略？作者希望读者们能在本文中找到部分答案。

图2. 生物圈地球化：基于合成生物学的生态系统地球化战略的制定涉及多个层面。

研究结果

与经典地球化火星情景形成鲜明对比的是，作者处理的是一个生命已经繁荣了数十亿年的星球，因此必须以包括居民社区人口动态在内的方式来规划干预措施。

不同类型的系统之间存在重要联系，例如微生物组、地球生物圈和其他行星 (例如火星) 的地形改造，并且通过研究任何单个系统产生的知识可以帮助学者们理解和设计其他系统。最终，这种方法可以使我们能够在小 (微生物组级别) 和大 (行星级别) 尺度上可靠地构建生物工程生态系统，图3展示了使用数学模型来分析涉及微生物群落的生态超循环的几个案例场景，即改变给定的环境，以使其适合某些给定的生命形式。作者相信在不久的未来，将非常需要地球化研究。

图3. 用于地形改造的合成超循环。

作者认为如果人类想要成为未来生物圈的一部分，就需要考虑用技术解决外星球生存的方案。正如许多气候变化研究者讨论的那样，尽管目前的研究都存在一定的局限性，但现在不为未来做好研究准备的话，人类在未来可能会承受巨大的代价。