*本文将详细介绍NASA和欧空局的生物再生生命支持系统的建设和发展情况。*
事实上，我们离宇航员的生物再生生命维持系统越来越近了。
1829年，住在伦敦 Wellclose 广场附近的医生纳撒尼尔·巴格肖·沃德（Nathaniel Bagshaw Ward）把一些蕨类植物和草的种子扔进了一个部分装满泥土的瓶子里。很快，他就看到了小草和一棵小蕨类植物从土壤中发芽，尽管瓶子已经封好了。事实证明，植物可以在瓶子里的水、矿物质、营养物质和大气中循环，几乎可以完全与世隔绝地生存和生长，利用阳光作为它们唯一的能源。
今天，经过60多年对生物再生生命维持系统的研究，我们正一步步接近于在外星世界为宇航员设计的栖息地上实现同样的技巧。
BIOS和CELSS
生物再生生命支持系统（BIOS）是两个梦想家的产物。1926年，弗拉基米尔·伊万诺维奇·维尔纳德斯基（Vladimir Ivanovich Vernadsky），乌克兰科学院的创始人和首任院长，详细阐述了生物圈的概念，生物圈是一个行星尺度上的封闭物质循环，可以通过生命本身无限期地维持。1929年，俄罗斯火箭科学家康斯坦丁·爱德华多维奇·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky）将维尔纳德斯基的概念应用于太空旅行，并提出使用小规模的封闭生态系统来支持宇宙飞船上的生命。这些生态系统的工作将是在回收废物的同时产生空气和食物。
太空竞赛时代见证了齐奥尔科夫斯基和维尔纳德斯基在莫斯科的 BIOS-1 设施中实现的概念。它由两个相连的隔间组成：一个微藻培养室和一个船员的生活空间。微藻会吸收人类呼出的二氧化碳，并通过光合作用释放氧气。它或多或少起了作用，但由于人类和藻类之间的新陈代谢差异，存在规律性的不平衡。这个问题最终通过改变人类的饮食得到了解决，但每个人都意识到，你不可能在太空飞船上中途改变饮食。任何错误估计都可能导致宇航员在真正的任务中丧生。
1969年，BIOS-1 进化为 BIOS-2，其中增加了一个种植蔬菜的温室作为第三个隔间；其他的也紧随其后：一个用来存放小麦的隔间，另一个用来氧化固体人体排泄物的微生物培养器。人体实验从12小时逐渐延长到24小时，然后延长到两周，最后延长到90天。与此同时，另一个团队建造了 BIOS-3 设施，它依赖于同样的技术，但可以由机组人员从内部控制，并被安排成类似于那个时代苏联宇宙飞船的舱室。
BIOS-3 实验显示了操作这个系统需要多少人力。结果很惨淡。宇航员基本上会像全职农民一样工作，只是为了让它继续运转。
在世界的另一边，美国国家航空航天局正在进行一项小规模实验，用藻类菌落为老鼠制造大气和食物。在20世纪70年代的 CELSS 研究项目下，这些实验发展成为更先进的示范实验，将多种生物和高等植物结合起来，以解决苏联已经遇到的氧气平衡问题。
BIOS 设施和 CELSS 演示都依赖于类似的体系结构和底层概念。因此，他们遭受类似的限制也就不足为奇了：对生物成分的确切作用几乎没有控制。
植物室就像一个黑匣子。美国和苏联的工程师知道，给定的输入将产生本质上可预测的输出，并根据机组人员的数量扩展系统。已经在自然中运行的过程被复制和粘贴到封闭的、孤立的空间中。这就像通过模仿鸟类来解决飞行问题。
直到1987年，克劳德·奇帕克斯（Claude Chipaux）提议建造一种全新的生物再生生命维持系统，名为“MELiSSA”，他是一家后来成为空中客车公司的太空工程师。
“MELiSSA”出生了
MELiSSA 代表微生态生命支持系统替代方案。与之前的 BIOS 和 CELSS 不同，MELiSSA主要依赖于细菌菌株，而不是植物。生物成分不再是一个黑盒子。在严格控制的条件下，细菌在经过彻底改造的生物反应器中培养。这些生物反应器的运作是基于复杂的数学模型，并由算法控制。
整个系统也是动态的。机组人员可以通过数字界面控制其操作，并随意分配不同功能的优先级。想要稳定大气或改变其成分？只要按一下按钮。想做更多的食物吗？按另一个按钮。但这种自动化是有代价的。梅丽莎需要多年的资金支持，这需要几十年的时间。
但欧洲航天局还是同意了。该项目迅速发展成为一个庞大的项目，得到了14个国家和50多个研究所、大学和公司的支持。
几个科学小组开始围绕这一概念聚集在一起，提供生物学和工程学所需的专业知识。“大家都同意，我们需要依赖于我们的生物体如何运作的基本知识，它们的新陈代谢如何工作，它们如何吸收营养，它们如何对不同的照明条件或大气成分的变化做出反应，等等，” MELiSSA试点工厂的负责人弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯（Francesc Gòdia Casablancas）说，该工厂位于西班牙巴塞罗那自治大学，是 MELiSSA 的功能演示者。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯说：“我们的目标是开发我们称之为‘Melissa Loop’的东西。”
处理废物
Melissa Loop 的第一个隔间是一个保持恒定55°C的圆柱形生物反应器，其中的细菌培养物与健康人类肠道中的细菌培养物非常相似。它回收宇航员产生的废物，比如人类的粪便、尿液、卫生纸、植物的不可食用部分、可生物降解的聚合物 —— 实际上，宇航员每天都会产生的各种丑陋的东西。它由传感器不断监测，并由软件控制，可以调节从温度到pH值的一切。
最后，有一个过滤阶段，在这个阶段，任何未处理的固体从含有矿物质、铵、挥发性脂肪酸和二氧化碳的液体中分离出来。另一个过滤系统确保没有细菌从生物反应器中逸出。
液体被送入第二个隔间，这是一个发光的光生物反应器，与深红红螺菌一起培养，深红红螺菌是一种粉红色的细菌，既可以进行光合作用，也可以以脂肪酸为食。照明的强度是自动控制的，用来调节细菌的生长。第二个隔间的主要产物是含水的矿物质和铵，以及可能用作蛋白质来源的生物质。在一项食物可接受性研究中，用它喂食几周的老鼠结果很好。
将废物转化为空气和食物
矿物质和铵的溶液流入第三个隔间，在那里等待着两种细菌培养物 —— 欧洲亚硝基单胞菌和维氏硝化杆菌。首先，欧洲亚硝基单胞菌将氨氧化成亚硝酸盐。接下来，维氏硝化杆菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，这是所有生物体的重要营养物质。这两个阶段共同构成了地球上运行的氮循环中的一个重要步骤（称为硝化）。由于这是一个有氧过程，所需的氧气从接下来的两个隔间（下图中的4a和4b）反馈给它，而这两个隔间反过来又被输入富含硝酸盐的流出物。
弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯解释说：“4a和4b隔间的目的是生产氧气和大部分用作食物的生物质。”4a依靠的是印度淡水藻的培养，这是一种被称为螺旋藻的蓝藻，可以产生氧气和食物。选择螺旋藻并非偶然；作为一种膳食补充剂，它可以防止骨质流失，这是太空旅行中最严重的危害之一。
4b室为水培植物室。植物所需的二氧化碳从第一个舱和机组人员舱中供给。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡表示：“以目前的产能，MELiSSA 试点工厂可以产生足够维持一个人的大气。目前，我们用大白鼠来模拟人类的呼吸。”
在 MELiSSA 呼吸的老鼠
老鼠生活在密闭的隔离箱内。MELiSSA 试验工厂的工作人员会给它们喂食，并用一个转移气闸清理它们的笼子。二氧化碳被输送出去，氧气被输入，在任何时候以保持最佳的大气成分。人工照明用于模拟昼夜循环。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡说：“为了测试这个系统，我们想要有生命的、会呼吸的、有日常生活和昼夜节律的有机体。我们想检查这个系统是否能对不断变化的氧气需求和二氧化碳产量的变化做出反应。”
结果，它可以。这些老鼠在MELiSSA的空气中呼吸了数百天，没有任何问题。
MELiSSA 试验工厂可能是有史以来技术最先进的生物再生生命维持系统。根据光照强度和二氧化碳、矿物质和硝酸盐的进料速度，它就能准确地知道会产生多少氧气。它可以调节所有这些参数，以达到目标大气成分和/或食物输出。该系统的反应也令人惊讶，使其能够对紧急情况作出反应。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡说：“如果你需要增加或减少氧气含量，只要改变照明条件，蓝藻就会在几秒钟内做出反应。”
MELiSSA 项目是通过控制环境到最微小的细节来优化代谢过程。参与 MELiSSA 项目的人唯一没有触及的是生命本身。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡解释道：“一开始，我们都同意不使用转基因生物。我认为这一决定源于对公众看法的担忧。我们想保持安全。”
不过，并非所有人都对这些看法感到担忧。
埃隆·马斯克去火星
生物再生生命维持系统在20世纪90年代没有成为主流的主要原因是，它们的重量过重。2006年，美国宇航局艾姆斯研究中心的生命维持系统工程师哈里·琼斯（Harry Jones）做了一项研究，表明一次任务需要持续12年以上，生物再生系统才能实现收支平衡，并产生足够的食物来抵消其重量。当时没有人考虑过这么长时间的任务，所以，琼斯得出结论，尽管有大量的资金和开发时间，生物再生生命维持系统似乎“令人惊讶地不切实际”。
2016年，当埃隆·马斯克支持在火星上建立永久殖民地的想法时，人们的想法发生了转变。在此之前，火星计划涉及另一个类似阿波罗的努力：到达那里，插上一面旗帜，把一些岩石运回家，然后再也不回去了。而马斯克的选择是长期存在，足够长的时间让生物再生系统更有意义。
2017年，美国宇航局成立了空间生物工程利用中心（CUBES），这是一个由联邦机构、工业界和学术界组成的集团，目标是为未来的火星殖民地建立一个示范生物系统。
工程的寿命
CUBES 提出的生物处理系统超越了传统的生命维持，更面向制造和就地资源利用。它的主要功能是生产食物、生物塑料等材料和治疗药物。这些任务与废物回收结合在一起。当然，它也可以产生可呼吸的空气，尽管这很可能由目前在国际空间站上工作的物理化学系统来处理。
CUBES 的独特之处在于它的方法。MELiSSA 专注于对硬件和软件进行微调，并保持生物学的完整性，而 CUBES 则涉及对三者进行工程设计，使它们无缝地协同工作。
加州大学伯克利分校生物工程研究员、CUBES成员亚伦·j·柏林纳（Aaron J. Berliner）说：“这与特定的微生物或特定的作物无关。你可以有一种我想吃很多的水果或蔬菜，但如果它需要比其他作物多8000倍的水，或者需要大量的光来种植，我们就不会使用它。我们会审视系统经济中的所有贸易空间，并选择最有效的解决方案。”
在硬件、软件和自动化方面，CUBES 系统的目标将与 MELiSSA 非常相似，具有先进的、软件控制的生物反应器。然而，这些生物反应器中的生物则是另一回事。
零食、药物和塑料
哈佛大学帕姆·西尔弗实验室的博士后香农·n·南格尔（Shannon N. Nangle）说：“通过基因工程，我们可以解决组成多样化饮食的问题。”南格尔是一家致力于食品生产脱碳的生物技术初创公司 Circe Bioscience 的创始人。他说：“你可以设计微生物来增强某些氨基酸；你可以设计它们来制造其他东西，比如脂肪、各种营养物质和糖。可以把它看作是制作食物以达到均衡蛋白质含量的基石。”
香农·n·南格尔开发了一种发酵技术，可以使用专有的工程微生物制造所有这些糖、脂肪和营养物质。除了提供营养，该系统的输出还可以用来制作不同质地、香气和口味的食物。
这是向前迈出的一大步。MELiSSA 生物反应器中的螺旋藻尝起来像绿色的死水。“宇航员吃的东西对他们的健康和动力有深远的影响，”香农·n·南格尔说。“在火星探测的第一阶段，我们可能会选择卡路里密度最高的食物，因为它们占用的空间最少。之后，我们可以转向卡路里密度较低的选择，提供口味、新鲜度，以及地面上人们需要的所有心理增强。”
这种方法的首批测试之一是香农·n·南格尔于2020年在哈佛大学领导的一项研究，在这项研究中，她和她的团队设计了一种细菌“Cupriavidus necato”来生产糖（蔗糖）、塑料聚合物（聚酯）和脂壳寡糖，后者可以作为水稻等植物的肥料。细菌所需要的只是氢和二氧化碳的混合物。
CUBES和斯坦福大学的高级研究员尼欧·哈弗瑞什（Nils Averesch）说：“基本的方法是从其他生物体中提取一些DNA片段或基因，然后简单地将它们移植到一个新的生物体中，赋予它新的功能。”香农·n·南格尔团队设计的钩虫贪铜菌的基因供体是大肠杆菌、日本芽孢杆菌等细菌。
归根到底，CUBES 是关于工程生命形式，以有效地生产有用的东西，如食物、材料或药物，无论火星上有什么。微生物甚至可以从风化层中提取矿物质和金属，或者改变火星土壤，使其可用于种植植物。
问题是，当生命受到逼迫时，它有时会反击。
对抗进化
亚伦·j·柏林纳说：“我们称之为作弊者问题。基因工程将生物体带入了一个不舒服的区域。他们不再是自然的，它们变成了作弊者。随着时间的推移，作弊者倾向于从你告诉它们做的事情进化到做生活最擅长的事情：尽可能快地繁殖。”钩虫贪铜菌不会从生产塑料、食糖或肥料中获益；它只有通过产生更多的钩虫贪铜菌才会茁壮成长。
如果有足够的时间，生物学有办法让有机体回到其进化的工厂环境中。但我们也一样。
在合成生物学中，对抗进化的一个标准方法是，让生长只发生在一个短时间窗口内，这样进化就无法足够快地启动。还有其他聪明的方法。亚伦·j·柏林纳说：“工业中使用的一种技术被称为栓接式装甲，它的工作原理是将任何基因的多个拷贝插入目标生物的DNA中。然后，当它试图从这个基因中进化出来时，就会有另一个拷贝附着在上面。”
然而，根据亚伦·j·柏林纳的说法，太空中的生物反应器不会依赖于同一微生物种群的长期增长。更有可能的是，当你发现效率下降时，你会去冷冻室，从储藏室里拿出一种新的菌株，用它来重启系统。一台便携式冰箱可以存储数百年的新鲜启动菌株，即使工作人员每天都要重新启动生物反应堆。
火星殖民地的三个阶段
CUBES 系统是为永久基地设计的，只有在火星探测的早期阶段才会定期使用。因此，它的发展路线图是累加的 —— 每一项新功能都将建立在已经部署的功能之上。CUBES 团队根据火星人口数量制定了他们的计划。
第一级是为少于100人的火星人设计的。宇航员将主要依靠从地球带来的预包装食品。带有工程微生物的生物反应器将补充微量营养素，如铁、钙、维生素B和D、锌、omega-3脂肪酸等。生物塑料的生产也将是适度的，仅限于技术演示（殖民地的大部分材料都来自地球）。当地的药物生产将仅限于细菌中产生的小分子。水的回收将通过过滤、吸附和蒸馏尿液来完成，就像今天在国际空间站上所做的那样。然而，在这个过程中剩下的盐水将在螺旋藻生物反应器中进行处理，以提供氮的来源。
第二阶段开始时，该设施将过渡到一个永久定居点，必须支持100多人。生产各种工程藻类和植物的光生物反应器将被添加，并由人工照明和从火星大气中回收的加压二氧化碳提供动力。在早期试验中确定的适合当地生产的材料将被大量生产，并用于扩大定居点，建造温室，并根据需要制造额外的工具。经过改造的微生物将生产出急需的药物。现场制造的其他治疗药物包括基本的抗生素前体、胰岛素和阿片类药物，这些都已经是用地球上的生物制造技术制造的。回收系统将开始处理固体人类废物，如粪便、可生物降解的塑料和未食用的食物。
第三阶段将在火星人口超过1万人时开始。在这一点上，火星殖民地应该有自己的生物铸造厂来根据需要设计自己的微生物。不过，这种情况在很长一段时间内不会发生。只有当这个星球被殖民时才有可能。我们离它可能还有几百年的时间。
在这个生物铸造厂中产生的微生物，可以在地球上进行设计和测试，这些设计以DNA序列的形式可以传播到火星上。在地球上种植的作物，如大豆、土豆或花生，经过改良后也可以在火星条件下生存，将直接在经过微生物预处理的风化层的大型温室中种植。除了特殊材料，塑料制造将从基于生物的技术转向；其余的将由化学工厂生产。然而，生物制造仍将是制造药物的主要技术。大部分废物将在大型多级生物反应器中回收利用。
然而，在这个宏伟的愿景开始实现之前，NASA必须就基本问题做出一些决定。NASA需要提供一些指标，比如他们具体想要什么？第一次任务将持续多长时间？我们的能源预算是多少？我们有多少水？我们需要养活多少人？知道了这些点，我们就可以专注于设计生物体来实现这一切。到目前为止，美国宇航局在五年内为 CUBES 提供了大约1500万美元的资金。
与此同时，MELiSSA 坚定地坚持其欧洲脚踏实地的战略，缓慢而坚定地前进。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯表示：“我们最近一直在与ESA进行谈判，并确保了与 MELiSSA 试点工厂一起进入下一阶段的资金，该工厂正在建造一个人类级别的设施。我估计在三到四年内，我们将准备好在人体上进行第一次测试活动。我想我们需要志愿者。”
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
