地衣:未来火星拓荒者

2020-12-29 11:54:26 风流一代·经典文摘 2020年12期

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,通常能存活几百年、几千年,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,可以预见,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。但随着对火星的了解越来越多,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”。

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,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嚴峻的考验。

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;又如中国特有的包氏微孢衣,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员)

(摘自《环球》2020年 第20期)