如果人类想要在地球以外的地方生活，就需要建造栖息地。但是，运输足够的工业材料来创造宜居空间将极具挑战性且成本高昂。哈佛大学约翰A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员认为，通过生物学可以找到更好的方法。

 

由环境科学与工程系Gordon McKay教授兼地球与行星科学教授Robin Wordsworth领导的国际研究团队已经证明，他们可以在类似火星的条件下，在由生物塑料制成的庇护所内培育绿藻（Dunaliella tertiolecta）。这些实验是朝着设计可持续太空栖息地迈出的第一步，这种栖息地无需从地球运送材料。

 

“如果你有一个由生物塑料构成的栖息地，并且在其中生长藻类，那么这些藻类就可以生产更多的生物塑料，”Wordsworth解释说。“这样你就开始拥有一个可以自我维持甚至随时间而增长的闭环系统。”

 

外星环境中基于生物材料的生命支持系统示意图

 

这项研究”Biomaterials for organically generated habitats beyond Earth"于7月2日发表在《Science Advances》上。

 

火星等天体表面存在极端条件：大气压仅600帕斯卡（不足地球1%）、强紫外线辐射、昼夜温差超100°C，以及富含高氯酸盐的有毒土壤。这些因素使得液态水稳定存在和生命维持变得异常困难。

 

研究人员独辟蹊径，提出"用生命本身的产品构建栖息地"的革命性理念。受地球生物圈启发，团队系统评估了生物材料在极端环境中的适应性。

 

研究聚焦三大核心需求：阻挡致命UV辐射、透射光合有效光辐射（PAR）、维持千帕级压力差以稳定液态水。通过对比三种常见生物塑料——琼脂糖（agarose）、聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA），发现1毫米厚的PLA兼具优异机械强度和光学性能，能完全阻隔UV-C并部分过滤UV-A/B辐射。

 

关键技术方法包括：使用3D打印技术（Dremel 3D45）制造PLA生物舱，有机蜡-树脂复合密封；在定制行星环境模拟舱中建立600帕CO₂低压系统，通过质量流量调节器和残余气体分析仪（RGA）精确控制气体组成；选用真核绿藻杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）作为模式生物，采用Erdschreiber培养基，通过血细胞计数法监测生长动态。

 

生物塑料材料特性

 

材料测试显示：PLA的屈服强度达27.9±5.74 MPa，理论计算表明1毫米壁厚即可支撑10厘米半径舱体的10 kPa压差。光学性能测试中，PLA对可见光的透射率达71%，完全阻隔100-280 nm UV-C辐射，显著优于PHA（可见光完全阻隔）和脆性的琼脂糖。基于所有这些因素，研究人员选择了 PLA 进行实验。

 

 

藻类生长实验

（A） 实验期间行星环境室内生物塑料栖息地的图像，（B） 生长实验中使用的 D. tertiolecta 菌株的光学显微镜图像，（C） 生物塑料栖息地的特写图像，以及 （D） 行星环境室内栖息地的示意图。

 

在模拟火星环境中，PLA生物舱内的绿藻展现出与常压对照组相当的生长曲线，峰值生长速率μ达0.9 day^-1。

 

 

RGA监测显示昼夜O₂/CO₂波动（5 μmol hour^-1 O₂释放），证实光合作用正常进行。

 

 

pH 值和 CO₂渗透性

 

CO₂渗透实验测得PLA舱渗透率230 barrer，虽高于纯PLA标准值，但证明气体交换可行。pH模型显示火星CO₂分压下海水培养基pH为7.0，未影响藻类生长。

 

温度调节、辐射和毒性

 

提出纳米纤维素气凝胶（69 kg/m³）被动控温方案，2厘米厚度可实现50K温升。针对火星高氯酸盐污染，建议采用微生物还原或基因工程改良植物等生物修复策略。

 

闭环生物质生产的可扩展性

 

建立数学模型显示：当生物质-生物塑料转化效率>16%时，系统可实现指数级扩展（1-2年倍增周期）。计算表明0.3米深藻类培养层每日可产22 g/m²生物量，完全满足1.25 kg/m² PLA舱体材料需求。

 

 

研究人员表示，虽然使用Dunaliella tertiolecta作为模式生物，但研究结果表明，只要满足元素供应、光照和 pH 值条件，任何类似的光合生物都有可能生长。聚乳酸可通过二氧化碳和水合成糖，然后发酵成乳酸，再在催化剂作用下聚合而成。糖类可由光合藻类产生，而发酵则由乳酸杆菌等细菌完成。第三步通常需要在金属催化剂（如辛酸锡（C16H30O4Sn））的作用下加热到 150°C 至 210°C，但也可能由生物酶（如脂肪酶）完成。

 

Wordsworth团队此前曾利用硅气凝胶薄片模拟地球温室效应，在火星局部区域实现环境改造，成功培育出生物体。Wordsworth表示，将藻类实验与气凝胶技术结合，可同时解决温度与气压两大难题，为植物和藻类生长创造条件，这将为地外生存开辟更清晰的路径。

 

Wordsworth透露，研究团队下一步计划验证该生命维持系统在真空环境下的可行性，此举将为月球及深空应用奠定基础。其团队还拟设计一套可循环运作的栖息地生产系统。

 

"生物材料栖息地的构想具有根本性创新意义，能支撑人类在太空生存。"Wordsworth强调，"随着此类技术的发展，其衍生成果也将惠及地球的可持续技术领域。"

 

该研究获得Leverhulme 宇宙生命中心、哈佛生命起源研究基金及美国国家科学基金会支持。