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地衣:未来火星拓荒者
  新华网 ( 2020-10-02 06:42:52 ) 来源: 《环球》杂志
 

  如果未来想将火星改造成适宜人类居住的星球,地衣可能是最理想的拓荒者。

钟秋怡

  《天体生物与空间科学研究》近日发表了一篇论文:《火星生命:鹰坑里的“蘑菇”在进行光合作用》,公布了美国“机遇号”火星探测器在火星“鹰坑”地区执行任务时拍摄的一组照片。

  照片显示,一片岩层处长着数千个蘑菇状物体,它们不但会随着时间的推移明显长大,还有集体趋光性。排除特殊地质构造的可能性,文章认为,这一“生物”很可能是一种石生地衣——羊角淡盘衣。如果这一发现被证实,将为火星生命的存在提供有力证据。

  地衣,是真菌与藻类之间互惠共生的特殊低等生物,由真菌和藻细胞构成。藻细胞通过光合作用为真菌提供养分,而菌丝又为藻细胞提供水分、无机盐及保护措施,这样“互惠共生”的特性,使得地衣不需要从基物获取营养,就能够在裸露的岩石表面自由生长。

  地衣的出现,仅晚于最早出现在海洋里的藻类。地衣在6亿年前最早登上陆地,并对陆生环境进行了一次彻头彻尾的改造,之后陆地上才出现了苔藓、蕨类、孢子植物等。因此,地衣又被称为“先锋生物”和地球陆地“拓荒者”。

  欧洲航天局曾多次将不同品种的地衣带上太空,发现它们能在外太空环境下存活一定时间。如果未来想将火星改造成适宜人类居住的星球,地衣可能是最理想的拓荒者。

在最恶劣的环境中生存

  从两极到赤道,从高山到沙漠中心,地球陆地上的每一个角落几乎都有地衣的身影,它们可以在岩石、土壤、树皮甚至玻璃等人造基质上生长。

  比起常见的真菌和植物,大多数地衣很小,通常不高于1厘米。不过,地衣的寿命很长,通常能存活百年、千年,甚至万年。大部分地衣生活在人迹罕至的地方,如热带雨林的林冠层和南北极的岩石表面,这意味着地衣对陆地环境有着强大的适应能力。

  事实上,地衣通体都是对抗恶劣环境的“武装”。地衣的上皮层往往含有蒽醌类和地衣酸类化合物,可以抵抗高辐射。地衣的下皮层可分泌地衣酸类的化合物,对岩石等基物进行风化,创造适合自己生活的“土壤”。此外,地衣还能产生大量的抗冻蛋白来抵御低温和寒冷。由于地衣的皮层是由排列紧密或疏松的菌丝形成的,不像种子植物那样具有表皮和角质层,所以即使是在干旱的荒漠,地衣也能像海绵一样迅速吸收空气中的水分。总之,地衣具有耐寒、耐旱、耐辐射、耐贫瘠的特性,可以在最恶劣的环境中生存。

  尽管少为人知,但地衣已经在地球上生活了很长时间。2005年,中国古生物学家和美国古植物学家,在分布于贵州省瓮安地区的瓮安生物群发现了一块6亿年前的地衣化石,这说明至少在6亿年前,真菌和藻类就形成了共生关系,并从海洋登上了陆地,对地表岩石圈进行改造。这比苔藓、蕨类、种子植物等维管植物早了整整两亿年。

  目前,全球约有2万种地衣,其中中国分布有约3000种。然而,科学家估计,中国至少有92%的地衣物种还没有被发现。考虑到中国的地衣研究起步较晚,加上中国复杂多样的生态环境和极其丰富的生物多样性,可以想见,还有数量庞大的地衣物种有待发现。

“地球太危险”,我要去火星

  在电影《少林足球》中,周星驰有一句经典台词:“地球太危险了,你还是回火星去吧。”这在当年听来,只是无厘头的笑话。但随着对火星了解越来越多,人们开始思考移居火星的可能性。

  尽管科学家已经确定了火星上有液态水存在,但火星的环境对于人类来说还是十分恶劣的。火星的昼夜温差极大,氧气稀薄,辐射环境恶劣,人类要实现火星移民,还有很长的路要走。

  地衣或许比人类更能适应火星的环境。2005年,欧洲航天局联合俄罗斯航天局,将两种来自南极的地衣——地图衣和丽石黄衣送上太空,把它们完全暴露在开放的宇宙空间中,半个月后由卫星送返地球。这两种地衣在适宜的环境中待了24小时,就重新恢复了代谢活性。

  2007年,科学家又进行了类似的实验,将三种地衣和蓝藻、细菌一同送上太空,暴露在宇宙空间中。10天后返回,仅有地衣存活,它们的子囊孢子还能像种子一样正常萌发。

  由此看来,地衣在火星上正常存活并非天方夜谭。

  有人不禁设想,如果将地球上的地衣移植到火星,或许能帮助我们改造火星的环境,制造一个适宜人类生存的新的“蓝色星球”。比起植物和其他微生物,将地衣作为移植火星的生物材料确实有许多优势。

  首先,与维管植物相比,地衣主要由真菌和藻类构成,没有根茎叶的分化,可以在岩石等多种无机的基物上生长。而且,地衣的寿命比绝大多数植物都长,在适宜环境中可存活上万年。

  其次,与细菌、放线菌等微生物相比,地衣肉眼可见,便于运输和观察。

  最后,一系列实验表明,地衣是地球上最顽强的生物,它不仅能在宇宙环境中存活,还能承受-60℃~70℃的极端温度。还有实验表明,在干燥条件下,地衣可以承受-196℃~100℃的液氮,耐受范围已经超出了火星表面的温度范围(-80℃~30℃)。尽管存在生长缓慢、无法人工培养、对空气污染和重金属较敏感等弱点,但地衣仍然是比较理想的火星“拓荒者”。说不定,在火星特殊的环境条件下,地衣还会呈现出与地球上不同的生长状态。

生在青藏高原

  “机遇号”探测到的“疑似”羊角淡盘衣,隶属地衣中的霜降衣科,淡盘衣属,主要分布在中国喜马拉雅山脉一带,是青藏高原的一个常见物种,在欧洲亦有广泛分布。

  不过,青藏高原的地衣,却因其独特的“高冷”气质,令人望而却步。

  青藏高原很“高”,作为世界“第三极”,青藏高原中国境内部分平均海拔为4385.51米,4000米以上的高海拔地区占青藏高原面积的73.11%,包括世界最高峰珠穆朗玛峰。由于海拔高,青藏高原的空气稀薄、干结,太阳辐射很强,比同纬度低海拔地区高50%~100%。

  青藏高原很“冷”,位于高原西北部的羌塘高原为极寒区,平均气温-20℃~-15℃,部分地区低于-25℃。

  另外,青藏高原降水不均,有的地方降水丰沛,有的地方非常干旱,其中阿里地区降水量最少,年降水量低于50毫米。

  青藏高原特殊的地理环境,对于生物定居和科考工作都是严峻的考验。

  尽管条件如此恶劣,地衣学家还是决定“盘它”。地衣学家用了近40年,在青藏高原采集了多达7万份地衣标本。初步研究发现,青藏高原是中国地衣资源的重要储存基地。无论是横断山脉的原始森林、珠穆朗玛峰的峭壁悬崖,还是高原北部的广袤荒漠,都存在着多样而独特的地衣物种。

  地衣学家还筛选出一些可能适于移植火星的地衣物种。比如分布于海拔4000~4500米的卵石衣,可以抵御辐射和低温的伤害;又如中国的特有种包氏微孢衣,分布于海拔2500~3200米的高山和干旱荒漠,具有耐干旱的特性;还有一种美丽的大型石生地衣红脐鳞,在青藏高原海拔3500~5000米处广泛分布,对高海拔生物环境有着很强的适应能力。

  要想把这些地衣带到火星,首先需要进行生理生态学方面的研究,而目前这方面的研究几乎还是空白。但我们相信,通过一代代人的努力,一定会看到像电影《火星救援》中描绘的那样,在人类建造的火星基地上,“火星拓荒者”地衣恣意生长,注视着浩瀚星空中另一个遥远而祥和的蓝色星球。

  (作者系中科院昆明植物研究所研究人员;艾敏、王禄汀对本文亦有贡献)

来源:2020年9月30日出版的《环球》杂志 第20期

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