范春萍｜马特达蒙能在火星上种出土豆吗？

2015年，一部科幻大片向全世界展示了足够震撼的画面：一位独自被困在火星的宇航员，在居住舱里开出一小片田，用粪便做肥料，种出土豆，并靠这些土豆活了下来。

马特·达蒙饰演的植物学家沃特尼，成了人类电影史上最著名的火星农夫。

很多人看完电影的第一反应是：原来火星上能种地。但如果较个真，问一句火星的土壤成分是什么？你会发现，这部在火箭轨道计算上硬核到能当教案的电影，却在土壤这一环节做了简化。

这也是电影公映后，被科学界诟病最多的地方。

下面就来说说，马特达蒙到底能不能在火星上种出土豆？

一、《火星救援》的土壤账本

电影《火星救援》改编自美国作家安迪·威尔创作的科幻小说，原著对火星土壤的交代很干脆：矿物成分和地球差不多，种土豆需要的元素基本都有；问题只在于土壤里没有细菌，而没有微生物的分解循环，养分锁在土中，植物吸收不到。

沃特尼的对策也干脆：把居住舱里的人类粪便掺进火星土，再混入队友留下的少量地球土壤样品接种微生物堆肥，制出一小片活性土。

电影中的这个设定，把火星土壤当成“无菌但也无毒的营养基”。掺点肥料，就能开种。

二、真实的火星土壤成分

2012年，"好奇号"火星车在盖尔撞击坑对一块名为“Rocknest”的风成沙地做了完整分析，用两种独立手段（APXS元素分析和X射线衍射矿物分析）交叉测量，这是至今公认最扎实的火星土壤基准数据（Blake et al., 2013）。

以氧化物计，主要成分是：二氧化硅43%、氧化铁19.4%、三氧化硫6%、氧化镁7.5%、氧化钙5.6%、氧化铝7.2%，标准的玄武质成分。

这个成分清单表明：火星土壤主要是本地基岩风化的原地堆积，从“庄稼需要的矿物元素”角度看，还真不算差。

但问题怕细究。

第一，土是“微湿”的。“好奇号”的SAM仪器加热土壤时测出1.5%～3%的水分，以吸附水和含水矿物形式结合。火星土比沙子还细，比盐还涩。

第二，土是弱碱性的。2008年"凤凰号"在火星北极实测，土壤pH值在7.7~8.3之间。这一点使“火星土是酸性毒土”的旧观念，被现场数据推翻了，这对种地是个中性偏好的消息。

第三，最关键的，土里有毒。

三、高氯酸盐，电影里略过的主要问题

2008年，"凤凰号"在火星北极的土壤里检出了高氯酸盐，含量约0.4%~0.6%；后来"好奇号"在盖尔撞击坑也检出了类似水平。这不是个别地点的污染，而是全球性的。

0.5%是什么概念？地球标准里，饮用水的高氯酸盐安全上限是每升几十微克量级；一公斤火星土里含的高氯酸盐，够污染上百吨水。高氯酸盐会干扰人体甲状腺摄碘，对植物则直接抑制发芽和生长——浓度按火星土实测值算，土豆种子种下去，根本活不成。

无论对于人类还是植物，具有强氧化性的高氯酸盐都属于剧毒物质。

所以，作为科幻电影，《火星救援》的科学设定是有问题的：沃特尼把毒土默认为净土。他不是不知道火星土复杂，威尔连轨道力学都算得清清楚楚。他这么做，是为了文学叙事：主角的主要困境是饿死，如果要“先洗几百公斤土”，不但节奏会垮，整个叙事都可能会崩。

科幻文学要不要严格遵照科学标准来设定前提，在科幻理论上一直是个有争议的问题。科幻界把科幻作品界定为文学，毕竟文学不是科学、科幻不是科普，毕竟一部电影所希望展示和能够展示的东西很多，为了文学效果，牺牲一些科学前提有必要性和必然性。

我把好科幻理解为哲学意义上的思想实验，以文学艺术的方式挖掘、展现科学所预示的尽量多的可能性，并同时从科学+文学的视角探索人性、现实和宇宙的未知。

科幻欠下的账，可以用科普来补。怎么补？就《火星救援》这部电影，主要涉及怎么为火星土壤消毒。其实，这也是人类未来想要改造火星，使其适宜人居而绕不过去的问题。

依目前研究，有三条路线。

第一条，水洗。

高氯酸盐极易溶于水、不挥发、不吸附，理论上淋洗几遍就能带走绝大部分。但此做法存在两个问题：

一是，水在火星上是黄金，没有那么多水可用。如果能通过深挖土层和岩层得到较多可用的水，也须封闭循环，洗土水蒸馏复用，把浓缩的高氯酸盐卤水单独收集。可喜的是，这碗卤水不是废物——高氯酸盐可以通过电解或热分解放出氧气，毒物换个框架看就是氧库。

二是，如果用水洗，土壤中被洗出的可就不止是高氯酸盐了，其它可溶于水的成分也会被洗走，而这些成分很可能包括大量植物需要的养分。

第二条，热焙烧。

高氯酸盐加热到四五百摄氏度会分解成氯化物并释放氧气。不需要水，副产品还是氧。代价是耗能巨大，而且会把土壤里的有用成分一并烧掉。与水洗法一样，土是“干净”了，质地却破坏了。

第三条，生物还原。

一类叫高氯酸盐还原菌的微生物，能把高氯酸根一步步还原成无害的氯化物，中间也会放出氧气。这条路线常温常压、低能耗，细菌处理完的土，理论上直接能种土豆了。

加州大学河滨分校2017年前后的工作，把这类“吃高氯酸盐、吐氧气”的细菌（如Arcobacter sp. CAB）进行过针对火星的原位制氧研究；国内《空间科学学报》2020年所发李艳菊等的文章，则系统梳理了40多个属的还原菌，并提出了可在未来火星改造中实施的“变毒为宝”的工程化方案。

显然，未来人类登陆火星，工程上最现实的做法，大概率是要指望生物方案，让细菌在土壤里建起有利于植物生长的微型生态系统，顺带产出火星上人类生活和航天发射都奇缺的氧气。

读到这里，土豆的问题从学理上似乎解决了。但是别急，还有两大关口没过：一是地球上的微生物，到火星上能否适应；二是火星的“行星保护”问题。

四、一方水土一方菌

前面说生物方案有希望，但有一个前提没有检验：地球的菌，到了火星还能存活吗？

首先，火表环境。

大气压不足地球的百分之一，大气成分约95%是二氧化碳；平均气温零下60摄氏度；没有磁场和臭氧层，紫外线和宇宙射线长驱直入；液态水无法稳定存在；再加上约0.5%的高氯酸盐——对地球微生物以及期望中的土豆，可谓“干、冷、辐射、毒”四项指标同时拉满。

但微生物的生命力一再超出人类想象。国际空间站舱外实验（EXPOSE系列）把地衣、孢子直接挂在太空里暴晒，结果地衣在模拟火星条件下停止代谢却没有死亡，收回来还能复苏；2020年日本研究团队把耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）冻干后放在空间站舱外暴晒三年，深层菌块仍然保有繁殖能力。

这预示了一种希望，但他们测的毕竟不是高氯酸盐还原菌，这类微生物能不能顶得住火星表面的环境压力，还有待验证。

其次，微生物正常生长繁殖需要液态水。

在开放的自然火星土壤里，是没有液态水的。所谓“生物改造火星土”，如果不解决液态水和温度，菌再优秀也只是休眠的种子。不过，这一点在早期、小范围的需求下，可以用人工保暖、保湿、防逃逸又防辐射的玻璃温室来解决。

再次，能够产出好食材的健康土壤。

地球上的经验表明，一定是在一个丰富、充分的生态系统中，才可能产出供人类消费的健康食材。这样的土壤系统，需要解毒菌，还需要像在地球土壤中那些能够形成循环生态的多种微生物。

这就是火星生物工程起步阶段需要的真实课题了：筛选、驯化，协作培育。

五、行星保护：把地球的菌带到火星，是有严格条件限制的

1967年的《外层空间条约》里有一条明确义务：探测地外天体，必须避免有害污染。落到实操层面，由国际空间研究委员会（COSPAR）把它细化成了“行星保护”政策，核心就两条：前向保护，不可把地球微生物带到可能存在生命的天体上去；后向保护，从外天体回来的航天器，不能把（哪怕概率极低的）外星微生物带回地球。

对于前向行星保护的要求，COSPAR按任务目的和目的地，把探测任务分成五类：第一类，不搜寻生命迹象、也不接触水环境的任务（如水星探测器），几乎不做要求；第二类，有间接关系但接触可能性低（如一些轨道器），做基本保洁即可；第三类，飞往可能有生命相关环境但不着陆的（如某些飞掠任务），要控制撞击概率；第四类，在可能有生命的环境里着陆的（火星着陆器和巡视器属于此类），灭菌标准按接触程度分级——当年“海盗号”的着陆器整舱加热灭菌，是这项政策的标志性执行方式；第五类最严：从可能存在生命的天体返回地球的样品，要做最高级别的密封和隔离，Apollo 时代和今天各国的样品返回任务都受它约束。

火星在这份名单上属于最严的等级之一。原因很朴素：我们对火星地下有没有生命，至今没有结论。

“祝融号”在乌托邦平原的探测已经给出了低纬地区曾长期含水的证据，而地下咸水和可能的液态水环境，恰恰是微生物理论上的避难所。如果火星还有原生的生命——哪怕只是地下的化学自养微生物，也是宇宙生命的奇迹，可以作为解开地球生命来源之谜的一个旁证。

如果地球菌种被带上去，就无法分辨以后发现的微生物是火星土著还是外来物种了。这样，人类可能永远失去“火星有没有自己的生命”这个问题的答案。而这，关涉的是对生命起源及演化的探索希望，这是人类意识中最底层、最执着的“天问”之一。

人类要靠微生物改造火星土壤种庄稼，而行星保护要求不能把微生物带到火星上去。

未来可能但并不理想的解法，是划线分区： 把生物活动严格限制在封闭的温室内——土壤装进培养系统，菌和水在封闭环境内循环，严格与火星自然环境隔离，保证界面高度消杀灭菌。这实际上意味着，未来“火星种地”，要局限于一间玻璃房子中。

我们知道，微生物的生命力和扩张力是最顽强的，再强大的隔离也未必能够奏效。这就要求人类在登陆火星之前，做好充分的调研和准备工作。划定好开发区和保护区，并采取最严格的限制条件。

按照2019年国际学界对火星“特殊区域”的划定，凡是可能有液态水的地方，污染概率要求压到万分之一以下。也就是说，温室的选址和密封标准极为苛刻。

回到土豆：

沃特尼在电影里那间大棚，歪打正着地撞上行星保护框架。只是电影没告诉他，他每往土里掺一把粪便，都是在污染保护等级最高的行星。

六、未来火星人的饭碗

现在，我们站远一点看：未来火星殖民地的人类，到底靠什么吃饭？

第一条路，从地球运。

火箭运力的账很残酷：按现有成本，运一公斤物资上火星表面的代价，比地球上任何奢侈品的运费都高出几个数量级。救援几个人的口粮可以，长期供养一座城镇不行。

如果一直走不出这个框架，基本等同于宣布火星改造失败。

第二条路，就地种。

温室+处理过的土壤，或者干脆无土栽培（水培/气培）。优点是操作路径清晰，缺点是系统能耗高，一个成年人一天的热量要靠大约几十平方米的高产温室来支撑，还要配整套的光、温、水、气控制。

其实，这条路在地球上的实验都没有成功过。原因在于：一个简化的生态系统，难以达到所需要的生态平衡和生态韧性。（这就是著名的“生物圈2号”实验，如有必要，本号可以另文再述）

第三条路，上述两条混合，权重随时间持续向“就地”倾斜。

这正是原位资源利用（ISRU）的核心主张：火星上没有废物，只有放错位置的资源。高氯酸盐是氧库和消毒剂原料，玄武质土是建材和矿质肥源，大气二氧化碳是植物的碳源。一个成熟殖民地的标志，不是运来多少物资，而是每一公斤从地球带来的东西，能在火星上生出多少倍的价值。

所以火星人的饭碗，长期看既不是达蒙式的田园，也不是仓库里的罐头，而是一座座由微生物、循环水和封闭温室组成的工厂。土豆会有的，但那不是农业，那是把一整套地球生态压缩进玻璃房里的工业。

地球上的经验表明，工业化农业不是理想的健康农业。工业化农业可以作为起始，但火星人若想长期生存、发展可持续的文明，需要克服困难，建设真正的火星农业。

七、结论

回到标题的问题：马特·达蒙能在火星上种出土豆吗？

答案是：按电影设定的条件，可以；按真实条件，不行。

这是不是说改造火星永远不可能了呢？也不是。

俗话说，事在人为，世界上怕就怕认真二字；只要自然规律允许的事情，终有办法实现。真实火星土的矿物成分够格，缺的是活水、活菌和一间合规的隔离玻璃房，以及把高氯酸盐从“毒物”变成“氧库”的起始工程。

特别值得注意的是“行星保护”的规矩，在往火星撒下第一把带菌的种子之前，人类需要先回答一个问题：那颗星球上，是不是已经有生物在种着它们自己的“土豆”。

主要参考文献

1. Blake D F, et al. Curiosity at Gale Crater, Mars: Characterization and analysis of the Rocknest sand shadow. Science, 2013, 341(6153)

2. Hecht M H, et al. Detection of perchlorate and the soluble chemistry of Martian soil at the Phoenix lander site. Science, 2009, 325(5936)

3. Leshin L A, et al. Volatile, isotope, and organic analysis of Martian fines with the Mars Curiosity rover. Science, 2013, 341(6153)

4. Davila A F, Willson D, Coates J D, et al. Perchlorate on Mars: a chemical hazard and a resource for humans. Int. J. Astrobiol., 2013, 12(4): 321-325

5. 李艳菊, 吴越, 范春萍, 等. 火星表面高氯酸盐生物转化及原位制氧工艺技术. 空间科学学报, 2020, 40(4): 531-539

6. Li C, et al. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature, 2022, 610: 308-312

7. 加州大学河滨分校（UCR）高氯酸盐还原菌火星原位制氧研究，2017——该项工作以研究进展形式发布（NASA 资助），未检索到对应期刊论文；菌种 Arcobacter sp. CAB 及工艺方案详见李艳菊等（2020）文章。