李庆林

在太阳系内，和地球最为相似的行星就是火星，所以火星也成为人类移民外太空的首选。

如果人类铁了心要到火星上住，肯定不会像一日游那么简单，要长期生存在那片荒芜之地，肯定要将那里改造成适合人类居住的宜居行星。仔细想来，这可是一个无比浩大的工程，堪比创世造物，凭借人类现有的科技，能在近未来完成这一壮举吗？

建一座火星化工厂

现实生活中，我们的衣食住行离不开各种各样的化学品，移民火星后同样如此。如何把这些化学品搬到火星呢？从地球上运过去，时效太低、成本太高，不如直接在火星上建立一座化工厂，源源不断生产各类必需品，这才是一劳永逸的办法。

塑料、药品、燃料等生活必需品，是由石油、煤炭等原材料通过繁多工艺流程辅以物理和化学手段加工而成，所以要在火星建化工厂，首先得在火星上挖到矿物等资源！

化石资源是由古代江河湖海中的动物和微生物遗体，在地层中经过漫长演化而成。那么问题来了，根据目前科考结论，无证据表明火星上曾有过植物、动物等生命形式存在，所以火星上似乎并不会诞生出化石资源，这个矿也不知从何挖起。

难道在火星建化工厂的宏伟计划就这样搁浅了吗？其实不然，因为燃料并非只能通过挖掘化石资源获得。

科学界普遍认为火星星体表面有土壤，表层下有冰，并且存在稀薄的大气层。1969年，伯克利大学的皮门特尔教授更是通过红外探测器，发现火星大气中含有96%的二氧化碳（CO2）和4%的氮气（N2）。如果我们真的要在火星上建设化工厂，可以通过CO2制备高分子材料、燃料、药品等生活必需的化学品。

人工光合作用制造液态阳光

想要把CO2转化为各类化学制品，离不开光合作用。2003年，美国能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”，旨在向大自然学习，构造光合作用系统，利用半导体和催化剂转化CO2。2015年，来自伯克利国家实验室的杨培东院士团队，利用半导体和微生物成功将这一设想变成了现实。

之后，杨培东院士团队推出了该系统更为优秀的“2.0 版本”，即利用硅纳米线捕获太阳光子，产生光生电子，并将其提供给附着的微生物。微生物吸收二氧化碳进行化学反应，即可产出乙酸盐，且该系统吸收太阳能转化效率连续一周高达3.6%。

这一人工光合作用系统模仿了植物光合作用的原理，将太阳能转化为化学能。植物的光合作用是利用吸收的太阳光，将大气中的CO2和水转化为糖类等有机物，供植物进行各种代谢活动，我们使用的煤、石油和天然气等也是来自于原始植物的能量积累。

人工光合作用系统主要由两部分组成——半導体，微生物工程细菌。

半导体负责吸收光能，将其转化为电能；具有特定功能的微生物工程细菌负责利用电能将吸收的CO2合成为特定的有机物，也就是将电能转化为化学能。目前，人工光合作用对太阳能的利用效率可以达到8%-10%，效率是植物光合作用的20倍。

这种效率极高的人工光合作用系统，究竟是怎么运作的呢？

潘多拉宝盒

举个例子，如果我们要利用人工光合作用系统生产有机化学品醋酸（乙酸），将有如下操作：

在人工光合作用系统中，研究者选择厌氧的热醋穆尔氏菌作主角，并开发出金纳米簇无机材料进行光的吸收。由于代谢过程主要在细胞质中进行，为了避免氧化还原中间产物在跨膜运输中消耗能量过多，研究者通过半胱氨酸对金纳米簇进行修饰，并将其注入到热醋穆尔氏菌细胞质中。

高度生物兼容性的金纳米簇在热醋穆尔氏菌体内能够长期友好相处，不仅不会降低其活性，反而还大幅提高了光的量子利用效率。

将被注入金纳米簇的工程菌置于特定的培养液中，保持纯CO2的无氧气氛，并给予一定强度的光照。可见光中的光子通过照射进入热醋穆尔氏菌细胞质中的金纳米簇将其激发，产生一个电子（e-）和一个空穴（h+），为了防止产生的电子和空穴再次结合，金纳米簇外包裹的半胱氨酸（Cys）将被空穴氧化生成胱氨酸（CySS），在这个过程中成功消耗掉金纳米簇中的空穴。而被激发产生的电子和吸收的CO2在一类酶中间体中相遇，将成功合成醋酸分子产物，并释放到培养液中收集利用。

有了醋酸作为原材料，我们可以生产丁醇，丁醇可在液体管道中实现高效运输，所以被称为未来可以替代石油的新型燃料；此外，利用醋酸，我们还可以通过聚合反应合成高分子材料，以及青蒿素等药物中间体。

这些都将是人类未来在火星上生存下来所必不可少的化学品。此外，火星上的气体中含有4%的氮气，若能利用人工光合作用系统将氮气合成氨化和物，即可为移民者提供足够的肥料种植各类农作物，不必像《火星救援》的男主角那样窘迫。

只要在火星上成功打开人工光合作用这一潘多拉宝盒，将有越来越多化学必需品被源源不断生产出来，充分满足人类的生存需求，助力移民先驱们开疆拓土，创造一个全新的人类宜居世界！