別那麼樂觀:人類或許永遠都無法殖民火星
2019年08月15日09:20
人類未來會移民火星嗎?很多人表示樂觀,但是這件事並非板上釘釘,我們將面臨巨大的考驗
人類未來會移民火星嗎?很多人表示樂觀,但是這件事並非板上釘釘,我們將面臨巨大的考驗

  新浪科技訊 北京時間8月15日消息,很多人對以下這件事感到理所當然:人類將在不遠的將來,在火星上建立起欣欣向榮的,長期存在的定居點。但是在某種程度上,這種觀點可能過於樂觀了,它低估了定居火星可能將要面臨的挑戰和困難。除非我們極大地調整我們的大腦和身體去適應火星的極端環境,否則這顆紅色星球將永遠不適宜我們定居。

好奇號火星車拍攝的火星風景照
好奇號火星車拍攝的火星風景照

  沒錯,我們常聽科學家們說,火星是整個太陽系中和地球最相似的星球,但是這個說法其實太過於簡單化了。

  火星,並不友好

  火星很冷,一片死寂,其大氣比地球稀薄100倍,而僅存的少量大氣的主要成分則幾乎全部都是二氧化碳,有害的太陽輻射幾乎可以直達火星表面,毫無阻攔。由於大氣稀薄,火星表面的大氣壓強很低,大約600帕斯卡,僅相當於地球海平面標準大氣壓的0.6%左右。如果沒有宇航服的保護,在這樣低的氣壓環境里,你將受到嚴重傷害:你的肺部將炸裂,皮膚浮腫,身體組織腫脹,最終死亡。稀薄的大氣同時也意味著其無法很好的留存熱量。火星表面的平均溫度是攝氏零下63度,最低甚至可以降到攝氏零下126度。相比之下,地球上的最低溫記錄是1982年6月23日在南極的蘇聯考察站“東方站”錄得的,數值是攝氏零下89度。一旦氣溫降低到零下40度以下,未能良好防護的人體在5~7分鍾內就會遭受嚴重低溫傷害。

紅色行星,這裏會是人類未來的第二家園嗎
紅色行星,這裏會是人類未來的第二家園嗎

  火星的質量也遠小於很多人的認知。火星地表的引力大約是地球的37.5%,這就意味著在地球上體重大約180磅(大約163斤)的人,到了火星上體重將變為68磅(61斤)。可能對於很多夢想減重的人士,這聽起來很不錯。但長期而言,這樣的低重力環境對於人體健康將產生嚴重的不利後果,甚至可能對人類的生殖能力產生負面影響。

  但即便有這樣或那樣的問題,但似乎主流觀點一直認為人類很快就將可以在火星上建立起殖民地。SpaceX 創始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)在憧憬著2050年代在火星上建立人類殖民地的設想,英國威斯敏斯特大學天體生物學家萊維斯·達尼爾(Lewis Darnell)則給出一個相對較為保守的推算,他認為,再過50~100年,可能將有相當數量的人類,在火星上建立起某種具有自我維持能力的定居點。中東富裕的石油國家阿聯酋此前已經宣佈,該國希望在大約公元2117年,在火星上建立起一座擁有大約60萬人口的火星城市。

對火星進行地球化改造,可行嗎?
對火星進行地球化改造,可行嗎?

  遺憾的是,以上所提到的這些目前來看還僅僅都是科學幻想。當然毫無疑問的一點是,最終人類一定可以踏足火星,甚至在那裡建立起一個或多個基地,但如果要說我們將會在火星上建立起可以容納成百上千人居住的真正的定居點,那至少在目前看來,是對這樣一種前景將可能面對的巨大挑戰的嚴重低估和視而不見。

  過於樂觀

  宇航工程學先驅路易斯·弗里德曼(Louis Friedman)是美國行星學會的聯合創始人,也是《人類的太空飛行:從火星到群星》一書的作者。他將當前這種對於建設火星基地的過分樂觀情緒類比成上世紀1940~1950年代的那種“缺乏基礎”的盲目樂觀。

從地球移居火星,或許將意味著一個全新智慧物種的誕生
從地球移居火星,或許將意味著一個全新智慧物種的誕生

  他說:“當時,很多主流科學雜誌,《大眾機械》和《大眾科學》等等,都曾經用封面文章的形式報導過建設在洋底或者南極的人類定居點。”他指出,這給人的感覺似乎是,人類將可以在這個行星上的任何一個角落生存和定居,而不論這裏的環境條件有多麼充滿挑戰或者不適宜生存。他說:“但最終,這些事情全都沒有發生。我們偶爾會訪問南極,我們甚至在南極大陸上設置了一些考察站,但也僅此而已。洋底的情況更加糟糕,人類在那裡開展的活動非常非常有限。”可見,不論是在南極還是洋底,人類的所謂“定居點”建設都幾乎是不存在的——即便南極和洋底相比火星要容易抵達得多。

  在人類登月成功之後,弗里德曼和同事們一度對於未來變得極為樂觀,他們當時相信人類將可以做越來越多的事情,比如在月球或火星上建設人類殖民地。但事實是,不管哪一項載人航天計劃,不論是阿波羅計劃,航天飛機計劃還是國際空間站計劃,都沒能為未來殖民火星建立起必要的技術基礎,比如建造必要的基礎設施,尋找安全而可行的就地獲取食物和水的方式,抵消長期太空飛行面臨的強輻射和低重力環境對於人類的影響等等。和其他領域不同,他認為,載人航天領域的技術進步似乎“停滯”了。弗里德曼認為,我們未來將有可能在火星上建立基地,但是他認為“歷史的經驗”告訴我們,在可預見的將來,在火星上建設人類殖民地的前景並不樂觀。

美國鳳凰號探測器在火星靠近北極地區發掘出的水冰物質
美國鳳凰號探測器在火星靠近北極地區發掘出的水冰物質

  美國佛羅里大學神經科學家蕾切爾·賽德勒(Rachael Seidler)表示,很多人顯然沒有完全理解在火星上維持長期性殖民地的難度究竟有多大。

  賽德勒是機器學習,以及微重力環境對宇航員身體影響方面的專家,她表示:“人們傾向於對於殖民火星抱持樂觀心態,但這更多是一種空頭支票,難以兌現。”她說:“很多人抱有樂觀心態,可能僅僅是認為我們不應當基於一些現實的理由限製自己,但我同意,這其中可能還有很多生理上的潛在負面後果。”

  賽德勒表示,NASA和其他航天機構目前正在非常努力地開發並測試各種措施,用於應對未來在火星上生活可能會面臨的各種負面影響。比如說,在國際空間站上工作的宇航員會遭遇嚴重的肌肉萎縮和骨質流失問題,他們就嚐試通過在空間站上進行體育鍛鍊和力量訓練來緩解這一問題。不管是在國際空間站上長期生活導致的健康問題,還是在火星的低重力環境下長期生活可能產生的影響,賽德勒認為,我們都還遠遠未到能夠從容應對的地步。

  在他的新書《關於未來:人類的前景》一書中,宇宙學家,天體物理學家馬丁·里斯(Martin Rees)針對人類殖民火星的前景,做了簡單明了地闡釋:

  “到公元2100年,人類中那些喜歡冒險的人們可能已經建立起一些獨立於地球的‘基地’,比如在火星上,或者在小行星上。SpaceX公司的創始人埃隆·馬斯克(1971年出生)曾經表示,他想要死在火星上——只要不是因為死於撞擊就行。但千萬不要就此就認為從地球向外的大規模移民將很快到來。在這個問題上,我強烈不同意馬斯克,以及我在劍橋大學的同事史蒂芬·霍金的那種樂觀主義觀點,他們認為人類將可以很快在火星上建立起大規模的人類定居點。認為火星可以提供逃避地球上存在的各種問題的想法,是一種危險的幻覺。”我們必須在地球上解決這些問題。應對氣候變化聽上去是一項令人生畏的任務,但相比將火星進行地球化改造,這簡直就成了小兒科遊戲。在整個太陽系中,你很難找到類似地球南極,或者珠峰峰頂那樣“溫和宜人”的環境。對於具有“避險”本能的普通人來說,目前並不存在“第二個地球”。

  巨大的環境挑戰

  關於“地球化改造”,這背後是一個巨大的系統工程。所謂“地球化”(terraforming),是指通過規模巨大的地質工程改造,將一顆行星改造成適宜人類以及其他生命生存的環境。對於火星而言,這將意味著向其大氣層中輸入大量氧氣和其他氣體,以提升其溫度和氣壓水平,當然還有其他很多需要幹預的地方。通常,關於殖民火星,很多人會說,這代表著改造火星,進行“地球化”的第一步。這種想法在很多科幻小說中國出現,比如斯坦利·羅賓森(Kim Stanley Robinson)著名的《火星三部曲》。但弗里德曼提醒,要想進行行星尺度上的環境改造,至少需要上千年的時間。

  布朗尼·霍根(Briony Horgan)是美國普渡大學行星科學助理教授,她認為對火星進行“地球化改造”完全是白日做夢,這是一項遠遠超出現有和可預見未來技術水平的幻想。

  而談論對火星進行地球化改造,我們還必須考慮其他因素,比如要想進行如此規模的工程,我們擁有足夠的資源進行這樣註定要持續幾代人的巨大工程嗎?在2018年發表在《自然》雜誌上的一篇論文里,美國科羅拉多大學的布魯斯·雅科斯基(Bruce Jakosky)以及克里斯托佛·愛德華茲(Christopher Edwards)曾經測算過,要想讓火星的大氣壓恢復到人類可以在其地表生活而不需穿著專門的增壓宇航服,我們將需要往火星大氣層中新注入多少數量的二氧化碳氣體,當然這樣做也將提升火星地表溫度,從而讓液態水得以在火星地表存在。他們的研究結論是,火星自身儲備的二氧化碳氣體可能不夠用,未來如果要進行“地球化”改造,那麼我們將可能需要通過某種方式從外部向火星運輸額外的大量氣體。

  這裏需要澄清的一點是:並不是說行星改造完全不可能,而是說,改造火星環境所需要的時間尺度和先進技術,在可預見的將來難以達到。

  而直到我們未來真正做到對火星環境的改造之前,我們將不得不面對一個環境惡劣的火星。這就意味著強烈的輻射,僅這一點就將對最早抵達那裡的先驅者們帶來嚴重的健康威脅。

  霍根表示,要想殖民火星,我們面臨很多巨大的挑戰,強輻射環境只是其中之一。她認為,這一點是很多人,包括SpaceX內部的很多人,都沒有完全想清楚的一點。生活在火星的地下或者建設具有輻射屏蔽作用的基地可能可以作為一個選項,但我們仍然預期,隨著在火星上生活時間的延長,癌症發病率將出現幾何級數的上升。

  她說:“在輻射防護方面,其實你能做的是有限的。”她指出:“我們可以定量評估比如說一年內的劑量和風險,但是對於非常長期的情況,這樣的評估將很難開展。問題是,你沒辦法永遠呆在地下或者基地防護間內,如果你要執行某些任務需要出去,你就將不得不面臨風險。”

  霍根提到,最近有一篇發表在《自然》雜誌上的論文指出,火星表面的輻射環境遠比我們原先設想的更加糟糕,並認為“我們目前並沒有長期輻射防護的解決方案,因此要想長期居留火星,除非你準備好承受輻射相關疾病的風險。“取決於你暴露於輻射當中的程度不同,過量輻射可以造成皮膚灼傷,輻射病,癌症,以及各類心血管疾病。

  弗里德曼原則上也認同這樣的觀點,即我們可以居住到火星地下,或者建造具有輻射防護功能的設施。或許輻射的問題可以解決,但他仍然認為這個問題極為艱巨,甚至在某些方面是“反人類”的。

  我們完全沒有準備好

  生活在未來所謂火星殖民地的人們將是很痛苦的,因為他們將不得不一直生活在採用人工光源的地下設施內,不見天日,或者生活在具有厚厚防護層的地面基地中,必須最大限度減少外出時間。

  長期生活在這樣的封閉環境中,少有機會外出活動,也將導致一些其他的健康問題,比如沮喪,缺乏外界刺激導致的反應遲鈍和注意力無法集中,視力減退,高血壓等等。並且和國際空間站一樣,在火星上的定居點將是一個“微生物沙漠”,只存在少量細菌,這對於維持人體體內的微生物菌落平衡實際上並不有利。

  另一個問題與動機有關。正如弗里德曼早先所指出的那樣,我們並沒有看到人類長期在南極或者海底居住,那麼我們究竟有什麼理由預期會有一大批人願意去到火星那樣遠比南極或者海底更加不友好的環境中去生活呢?相比在地球上的生活,去火星顯然是並不是一個好選擇,至少在生活水平上絕對會出現嚴重下降。

  還有,人類是否真的可以在火星上完成繁衍到目前為止還是一個開放性問題。拋卻火星上強輻射環境對於人類胚胎可能產生的影響,懷孕期間在如此低重力環境下生活可能產生什麼影響?我們目前也還沒有把握。我們不知道精子和卵子在火星環境中將會有何影響,不知道受精過程在那樣的環境下會否出現任何改變。最重要的是,我們不知道低重力環境將會對孕婦和胚胎產生何種影響。

  賽德勒是人類生理學和運動學方面的專家,她表示,人類在火星環境下妊娠,目前還是一個棘手的未知問題。由於低重力環境,發育中的胚胎在子宮里的位置往往偏高,這可能對孕婦的橫膈膜產生壓迫,從而引發孕婦呼吸困難。低重力環境也可能導致身體對正常妊娠的過程產生“困惑”,從而導致一些關鍵階段出現異常,比如孕39周的預產。在地球上,骨骼,肌肉,循環系統和其他人體生理系統都是在對抗重力的環境下發育起來的。或許到了火星上,人體機能會逐漸適應新的重力環境,但是我們的身體是否真的可以做到,我們目前其實是不確定的。人造子宮或許是一個可能的選項,但再一次的,這並非我們目前的技術能夠觸及的領域,它也一樣難以解決低重力環境對於胚胎發育的影響——除非這種人造子宮被專門放置入人工重力環境之中。

  有一點可以被強調,那就是我們應該嚴禁在火星上繁殖,直到我們對這一問題的科學認識更加深入。但是火星距離地球最近的時候都超過5500萬公里,在這樣一個遠在天際的地方,能否有效實施這樣的禁令本身就是一個問題。我們只能指望屆時的火星社會不至於倒退到完全的無政府主義,以及對於公共安全和既有倫理標準的全面無視。

  前文已經提到,在低重力環境下生活,將會對健康產生影響。在太空執行長期任務的宇航員,比如那些在太空執行任務超過一年的宇航員的身上,就已經表現出很多症狀,包括骨質流失和肌肉萎縮,心血管疾病,免疫系統和代謝紊亂,視力模糊,平衡和感知障礙等等。這樣的問題在火星上會不會出現,如何應對?我們不知道。或許在火星上長期生活,比如10年20年之後,類似的低重力環境引發的問題都會一一出現。

  賽德勒指出:“由於火星的低重力環境,在火星上生活可能產生一些生理的或神經方面的問題。”

  她說:“不清楚這些改變在某個時間點會趨於穩定而不再繼續惡化。我們的工作顯示,在微重力環境下,人的大腦在頭顱中會出現向上位移,一些大腦區域的灰質減少,但另一些區域則會增加,某些區域的白質也出現了結構改變,另外顱腦內的液體會向頭顱頂部集中。”

  賽德勒表示,這些症狀中的一部分與在微重力環境下生活的時間長短有關,從兩週到六個月,但目前缺乏更長停留時間情況下的觀察數據。她說:“這些症狀中的一部分可能最終會到達極限並趨於穩定,比如大腦水腫問題,畢竟顱腦能夠容納的液體體積有限。另外,人的神經系統也具有很強的適應能力,它可以‘學習’如何在微重力環境下控製身體運動,即便神經信號的輸入可能會出現相應變化。但再一次的,需要指出的是我們目前還並不十分確定這樣的極限在何處。”

  火星的重力環境雖然較低,但畢竟不同於完全的失重,因此與失重帶來的影響相比,症狀理論上來說應該不會那麼嚴重,但是不管是太空環境還是火星表面,神經系統感受到的信號輸入都會不同於地球環境下的情況。這可能導致平衡和運動功能出現問題,但研究人員認為,經過一段時間之後,宇航員應該可以很好的適應新的環境。

  賽德勒表示:“關於在微重力和重力減低環境下,人的生理將受到何種影響,目前還仍然沒有得到充分研究。我們目前還不清楚其安全性和健康風險,我們還需要做更多工作。”

  經過長期太空停留的宇航員,在返回地球之後的最初幾個星期里,會經曆一段痛苦的時期,出現包括噁心反胃,視力模糊和身體虛弱等狀況。有一些宇航員,比如NASA的宇航員斯科特·凱利(Scott Kelly),他在太空執行了長達一年的長期任務,他感覺自己再也回不到過去的那個自己了。他返回地面之後,發現自己在認知測試中的分數下降了,並且基因也出現了微小變化。NASA的研究顯示,從太空返回之後所需的恢復時間與其在太空之中執行任務的停留時長成正比例關係——執行任務的時間越長,返回地面之後所需的恢復時間也越長。遺憾的是我們目前還沒有超過一年或更久的微重力環境下生活的詳細監測數據,因此關於在火星上長期居住,在那樣的重力減低環境下生活比如超過10年,究竟會有什麼影響呢?目前這仍然是一個開放性問題。

  新的智慧生命物種誕生?

  根據以上這些線索,我們不難想像,適應火星的重力減低環境對於初來火星的訪客而言將是一項巨大挑戰,但是反過來,如果我們的宇航員們經過努力,設法適應了那裡的環境,那麼這個時候如果要讓他們返回地球,又將成為一項艱難的任務。他們的孩子如果在火星上出生(能否做到在火星上生育目前還無法確定),那麼這些孩子長大了要想回到地球,對於他們而言也將是難以完成的挑戰——他們已經難以適應地球的環境了。

  除此之外,還必須顧慮其他的健康問題,其他很多地方都可能出現問題。我們對於火星環境究竟會對我們的大腦,身體和情緒能力產生何種影響知之甚少,意外狀況隨時可能出現。相比在地球上,在火星生活的人的壽命可能會大大縮短,但是再一次的,關於這一點我們還無法斷言,一切都只是猜測。

  最終,最初的定居者在火星上可能將陷入每天都在為生存下去而努力的境地。而食物和飲用水的匱乏也可能進一步限製我們所謂的“殖民地”維持和擴張的能力。

  霍根表示:“建立起維持生存所需的穩定資源供應是可能做到的,但不會是一件輕鬆的事情。我們的居住地安必須靠近水源或者水冰儲存地,但要做到這一點,我們的定居點就必須非常靠近火星北極地區,但問題在於,你越是往北,生存環境就會愈發惡劣。那裡的冬天更冷,陽光也更少。”

  最初的定居者們還必須設法解決食物來源問題,他們必須找到在火星上栽培農作物的方法。火星上的土是有毒的,含有大量危險的高氯酸鹽物質,因而也是需要避開的。為了培養農作物,定居者們可能需要建設地下水培溫室。這將需要特製的照明,專門為火星環境設計的轉基因農作物,還有大量的水,其中最後一項在火星上是非常珍貴,難以獲取的資源。

  霍根表示:“人們顯然沒有意識到這其中有多複雜。要想建立起我們心目當中相對安全穩定的殖民地,是非常困難的。”

  從技術上來說,解決這些問題的途徑或許是存在的,比如我們可以研發專門針對火星環境下可能出現的各種疾病的藥物。但是這需要時間。甚至,即便我們能夠開發出這樣的藥物和療法,其規模也註定是小範圍使用的。一個科研基地還可以,但如果是變成大量人口入住的定居點,那裡的很多病人將需要持續的照料和治療,這將成為不可承受之重。

  正如馬丁·里斯(Martin Rees)所指出的那樣,火星和其他太空環境“天然地不適宜人類生存”。但是正如他在自己的書中寫到的那樣:“我們,以及我們的後代子孫,都應當為今日的先驅者們歡呼,因他們將開闢一個後人類時代的未來,他們將會決定在公元22世紀甚至更久遠的未來將會發生什麼。”

  里斯提到的“後人類時代的未來”,是指一種設想中的未來情形,那時候的人類經過大量生物學和機械神經學改造,已經難以被歸類為人類了,因此稱之為“後人類時代”。因此,儘管從今天的眼光看,火星是一個難以接近,難以在上面生存的地方,但是對於未來的那些有勇氣,也願意讓自己的身體接受徹底改造以適應火星特殊環境的人來說,他們眼中的火星就和我們眼中看到的很不一樣了。

  其中一種可能選項就是徹底改變人類的生理學特徵,專門去適應火星上的特殊生活環境。正如里斯在自己的書《論未來》中所提到的那樣:

  “那麼,由於在適應火星這樣的新棲息地方面遭遇到的適應性問題,那些先驅者們比起我們這些居住在地球上的人們,將有更強的動機去改變自己的身體,重新設計自己以適應全新的生存環境。”

  這些人將得到人類在未來數十年間發展起來的先進基因工程和機械工程的研究成果。這些技術在地球上預計將受到嚴格管控,但是在火星上,這些技術或許將可以被使用。我們只能祝願這些人和他們的後代好運,希望他們可以適應火星的特殊環境。但這很有可能是一個全新智慧物種誕生的開端。基因工程加上人機對接技術將逐漸導致人類逐漸偏離我們傳統意義上的理解,甚至最終出現完全擺脫有物質構成的身體,而成為“無機智慧生命”。因此,是那些冒著生命危險的宇航先驅者們,而不是我們這些舒舒服服坐在電腦跟前的傢伙們,將開拓未來人類的全新疆界。(晨風)

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