1829年，住在伦敦 Wellcretrograde 广场四周的大夫纳撒尼尔·巴格肖·沃德（Nathaniel Bagsbush environmentalist）把少少蕨类动物和草的种子扔进了一个部门装满土壤的瓶子里。很快，他就看到了小草和一棵小蕨类动物从泥土中抽芽，虽然瓶子已封好了。究竟证实，动物也许在瓶子里的水、矿物资、养分物资和大气中轮回，险些也许完整与世阻遏地保存和发展，使用阳光行动它们独一的动力。

　　此日，颠末60多年对生物更生性命保持编制的研讨，咱们正一步步靠近于在外星天下为宇航员打算的栖身地上实行一样的手艺。

　　生物更生性命撑持编制（BIOS）是两个胡想家的产品。1926年，弗拉基米尔·伊万诺维奇·维尔纳德斯基（Vboyimir Icamperovich Verneadsky），乌克兰迷信院的开创人和首任院长，具体论述了生物圈的观念，生物圈是一个行星标准上的关闭物资轮回，也许经过性命自己无期限地保持。1929年，俄罗斯火箭迷信家康斯坦丁·爱德华奇·齐奥尔科夫斯基（Konscelleep Eduardovich Tsiolkovsky）将维尔纳德斯基的观念利用于天外观光，并提议利用小范围的关闭生态编制来撑持六合飞船上的性命。这些生态编制的事情将是在收受接管废料的同时发生氛围和食品。

　　天外比赛期间见证了齐奥尔科夫斯基和维尔纳德斯基在莫斯科的 BIOS⑴ 举措措施中实行的观念。它由两个相接的隔间构成：一个微藻培育室和一个梢公的糊口空间。微藻会接收人类呼出的二氧化碳，并经过光合感化开释氧气。它或多或少起了感化，但因为人类和藻类之间的标奇立异差别，生涯纪律性的不均衡。这个题目终究经过改动人类的饮食获得领会决，但每一个人都意想到，你不大概在天外飞船上半途改动饮食。所有毛病估量都大概致使宇航员在线，此中增添了一个莳植菜蔬的温室行动第三个隔间；其余的也紧随厥后：一个用来寄存小麦的隔间，另外一个用来氧化固体分泌物的微生物培育器。尝试从12小时逐步耽误到24小时，而后耽误到两周，结尾耽误到90天。与此同时，另外一个团队设备了 BIOS* 举措措施，它依靠于一样的手艺，但也许由机组职员从外部掌握，并被放置成相似于阿谁期间苏联六合飞船的舱室。

　　活着界的另外一面，美国国度航空航天局恰逢停止一项小范围尝试，用藻类菌落为老鼠建设大气和食品。在20世纪70年月的 CELSS 研讨名目下，这些尝试成长成为更进步前辈的树模尝试，将多种生物和高档动物联合起来，以办理苏联已碰到的氧气均衡题目。

　　BIOS 举措措施和 CELSS 图片演示都依靠于相似的体捆绑洽商下层观念。是以，他们蒙受相似的限度也就难能可贵了：对生物成份的切当感化险些不掌握。

　　动物室就像一个黑匣子。美国和苏联的工程师分解，给定的输入将发生素质上可展望的输入，并按照机组职员的数目扩大编制。已在天然中运转的进程被复制和粘贴到关闭的、孤单的空间中。这就像经过模拟鸟类来办理飞翔题目。

　　直到1987年，克劳德·奇帕克斯（Cproclaime Cenarthrosisaux）主张设备一种崭新的生物更生性命保持编制，名为“MELiSSA”，他是一家厥后成为地面客车公司的天外工程师。

　　MELiSSA 代表微生态性命撑持编制替换计划。与以前的 BIOS 和 CELSS 差别，MELiSSA首要依靠于细菌菌株，而不是动物。生物成份无需是一个黑盒子。在严酷掌握的前提下，细菌在颠末完全革新的生物反映器中培育。这些生物反映器的运作是鉴于庞杂的数学模子，并由算法掌握。

　　全部编制也是静态的。机组职员也许经过数字界面掌握其操纵，并随便分派差别功效的优先级。想要不变大气或改动其成份？只有按一下按钮。想做更多的食品吗？按另外一个按钮。但这类主动化是有价格的。梅丽莎必要多年的资本撑持，这必要几十年的工夫。

　　但欧洲航天局仍是赞成了。该名目敏捷成长成为一个宏大的名目，获得了14个国度和50多个研讨所、大学和公司的撑持。

　　几个迷信小组开端环绕这一律念堆积在一同，供给生物学和工程学所需的专科常识。“大师都赞成，咱们必要依靠于咱们的生物体若何运作的根本常识，它们的标奇立异若何事情，它们若何接收养分，它们若何对不一样的照明前提或大气成份的变革做出反映，等等，” MELiSSA试点工场的卖力人弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯（authorsc Gòdia metropoliss）说，该工场位于西班牙巴塞罗那自制大学，是 MELiSSA 的功效图片演示者。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯说：“咱们的目的是开辟咱们称之为‘Melissa Loop’的工具。”

　　Melissa Loop 的第一个隔间是一个连结恒定55°C的圆柱形生物反映器，此中的细菌培育物与安康人类肠道中的细菌培育物十分类似。它收受接管宇航员发生的废料，好比人类的粪便、尿液、卫生纸、动物的弗成食用部门、可生物降解的纠合物 —— 现实上，宇航员天天都市发生的种种丑恶的工具。它由传感器不停监测，并由软件掌握，也许调理从温度到pH值的完全。

　　结尾，有一个过滤阶段，在这个阶段，所有未处置的固体从含有矿物资、铵、蒸发性脂肪酸和二氧化碳的液体平分离进去。另外一个过滤编制保证不细菌从生物反映器中逸出。

　　液体被送入第二个隔间，这是一个发光的光生物反映器，与深红红螺菌一同培育，深红红螺菌是一种粉赤色的细菌，既也许停止光合感化，也能够以脂肪酸为食。照明的强度是主动掌握的，用来调理细菌的发展。第二个隔间的首要产品是含水的矿物资和铵，和大概用作卵白质来历的生物资。在一项食品可承受性研讨中，用它喂食几周的老鼠后果很好。

　　矿物资和铵的溶液流入第三个隔间，在那边期待着两种细菌培育物 —— 欧洲亚硝基单胞菌和维氏硝化杆菌。起首，欧洲亚硝基单胞菌将氨氧化成亚硝酸盐。接上去，维氏硝化杆菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，这是一共生物体的主要养分物资。这两个阶段配合组成了地球上运转的氮轮回中的一个主要步调（称为硝化）。因为这是一个有氧进程，所需的氧气从接上去的两个隔间（下图中的4a和4b）反应给它，而这两个隔间反过去又被输入富含硝酸盐的流出物。

　　弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯诠释说：“4a和4b隔间的目标是出产氧气和大部门用作食品的生物资。”4a依托的是印度咸水藻的培育，这是一种被称为螺旋藻的蓝藻，也许发生氧气和食品。筛选螺旋藻并不是偶尔；行动一种炊事弥补剂，它也许避免骨质流逝，这是天外观光中最急急的风险之一。

　　4b室为水培动物室。动物所需的二氧化碳从第一个舱和机组职员舱中供应。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡透露表现：“以今朝的产能，MELiSSA 试点工场也许发生充足保持一小我的大气。今朝，咱们用清楚鼠来摹拟人类的呼吸。”

　　老鼠糊口在密闭的断绝箱内。MELiSSA 实验工场的事情职员会给它们喂食，并用一个改变气闸清算它们的笼子。二氧化碳被运送进来，氧气被输入，在职什么时候间以连结最好的大气成份。野生照明用于摹拟日夜轮回。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡说：“为了尝试这个编制，咱们想要有性命的、会呼吸的、有平常糊口和日夜节奏的无机体。咱们想查抄这个编制是不是能对不停变革的氧气须要和二氧化碳产量的变革做出反映。”

　　MELiSSA 实验工场大概有史往后手艺最早进的生物更生性命保持编制。按照光照强度和二氧化碳、矿物资和硝酸盐的进料速率，它就可以精确地分解会发生几多氧气。它也许调理一共这些参数，以到达目的大气成份和/或食品输入。该编制的反映也使人惊奇，使其可以或许对紧迫环境作出反映。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡说：“若是你必要增添或削减氧气含量，只有改动照明前提，蓝藻就会在几秒钟内做出反映。”

　　MELiSSA 名目是经过掌握情况到最细小的细节来优化代谢进程。介入 MELiSSA 名目的人独一不涉及的是性命自己。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡诠释道：“一开端，咱们都赞成倒霉用转基因生物。我以为这一决议源于对民众观点的耽忧。咱们想连结平安。”

　　生物更生性命保持编制在20世纪90年月不成为支流的首要缘由是，它们的分量太重。2006年，美国宇航局艾姆斯研讨中间的性命保持编制工程师哈里·琼斯（Harry Jdigits）做了一项研讨，解释一次任必须要连续12年以上，生物更生编制才具实行出入均衡，并发生充足的食品来对消其分量。其时不人思索过这样散工夫的使命，因此，琼斯得出论断，虽然有巨额的资本和开辟工夫，生物更生性命保持编制仿佛“使人惊奇地不切现实”。

　　2016年，当埃隆·马斯克撑持在火星上成立永远独立国的设法时，人们的设法产生了改变。在此以前，火星方案触及另外一个相似阿波罗的尽力：达到那边，插上一壁旗号，把少少岩石运回家，而后不再归去了。而马斯克的筛选是持久生涯，充足长的工夫让生物更生编制更成心义。

　　2017年，美国宇航局创制了空间生物工程使用中间（CUBES），这是一个由联邦机构、产业界和学术界构成的团体，目的是为将来的火星独立国成立一个树模生物编制。

　　CUBES 提议的生物处置编制超出了古板的性命保持，更面向建设和当场资本使用。它的首要功效是出产食品、生物塑料等质料和医治药物。这些使命与废料收受接管联合在一同。固然，它也能够发生可呼吸的氛围，虽然这很大概由今朝在国内国际空间站上事情的物理化学编制来处置。

　　CUBES 的怪异的地方在于它的方式。MELiSSA 静心于对硬件和软件停止微调，并连结生物学的完备性，而 CUBES 则触及对三者停止工程打算，使它们无缝地共同事情。

　　加州大学伯克利分校生物工程研讨员、CUBES成员亚伦·j·柏林纳（ballplayer J. Berfly）说：“这与一定的微生物或一定的作物有关。你也许有一种我想吃良多的生果或菜蔬，但如果是它必要比其余作物多8000倍的水，或必要巨额的光来莳植，咱们就不会利用它。咱们会审阅编制经济中的一共商业空间，并筛选最有用的办理计划。”

　　在硬件、软件和主动化方面，CUBES 编制的目的将与 MELiSSA 十分类似，具备进步前辈的、软件掌握的生物反映器。但是，这些生物反映器中的生物则是另外一趟事。

　　哈佛大学帕姆·西尔弗尝试室的博士后香农·n·南格尔（technologist N. rivergle）说：“经过基因工程，咱们也许办理构成百般化饮食的题目。”南格尔是一家努力于食物出产脱碳的生物手艺始创公司 sorceress Biopower 的开创人。他说：“你也许打算微生物来加强某些氨基酸；你也许打算它们来建设其余工具，好比脂肪、种种养分物资和糖。也许把它看做是建造食品以到达平衡卵白质含量的基石。”

　　香农·n·南格尔开辟了一种发酵手艺，也许利用专属的工程微生物建设一共这些糖、脂肪和养分物资。除供给养分，该编制的输入还也许用来建造差别质量、芬香和口胃的食品。

　　这是上前迈出的一大步。MELiSSA 生物反映器中的螺旋藻尝起来像绿色的一汪清水。“宇航员吃的工具对他们的安康和能源有深刻的作用，”香农·n·南格尔说。“在火星探测的第一阶段，咱们大概会筛选卡路里密度最高的食品，由于它们占用的空间起码。以后，咱们也许转向卡路里密度较低的筛选，供给口胃、新颖度，和大地上人们必要的所蓄谋理加强。”

　　这类方式的首批尝试之一是香农·n·南格尔于2020年在哈佛大学带领的一项研讨，在这项研讨中，她和她的团队打算了一种细菌“Cupriesurientus nefelido”来出产糖（蔗糖）、塑料纠合物（聚酯）和脂壳寡糖，后者也许行动水稻等动物的肥料。细菌所必要的仅仅氢和二氧化碳的夹杂物。

　　CUBES和斯坦福大学的高级研讨员尼欧·哈弗瑞什（Nils Averesch）说：“根本的方式是从其余生物体中索取少少polymer片断或基因，而后简略地将它们移植到一个新的生物体中，付与它新的功效。”香农·n·南格尔团队打算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。

　　归根终归，CUBES 是对于工程性命情势，以有用地出产有效的工具，如食品、质料或药物，不管火星上有甚么。微生物乃至也许从风化层中索取矿物资和金属，或改动火星泥土，使其可用于莳植动物。

　　亚伦·j·柏林纳说：“咱们称之为做弊者题目。基因工程将生物体带入了一个不舒畅的地区。他们无需是天然的，它们变一下子成做弊者。跟着工夫的推移，做弊者偏向于从你报告它们做的工作退化到做糊口最善于的工作：尽大概快地滋生。”钩虫贪铜菌不会从出产塑料、食糖或肥猜中获益；它只要经过发生更多的钩虫贪铜菌才会强壮发展。

　　在分解生物学中，匹敌退化的一个尺度方式是，让发展只产生在一个长工夫窗口内，如许退化就没法充足快地煽动。另有其余伶俐的方式。亚伦·j·柏林纳说：“产业中利用的一种手艺被称为栓接式装甲，它的事情道理是将所有基因的多个拷贝拔出目的生物的polymer中。而后，当它试图从这个基因中退化进去时，就会有另外一个拷贝附丽在下面。”

　　但是，按照亚伦·j·柏林纳的说法，天外中的生物反映器不会依靠于统一微生物种群的持久增加。更有大概的是，当你挖掘效力降落时，你会去冷冻室，从蕴藏室里拿出一种新的菌株，用它来重启编制。一台便携式冰箱也许保存数百年的新颖煽动菌株，纵然事情职员天天都要从头煽动生物反映堆。

　　CUBES 编制是为永远基地打算的，只要在火星探测的初期阶段才会按期利用。是以，它的成长线路图是累加的 —— 每项新功效都将成立在已摆设的功效之上。CUBES 团队按照火星生齿数目拟定了他们的方案。

　　第甲第是为少于100人的火星人打算的。宇航员将首要依托从地球带来的预包装食物。带有工程微生物的生物反映器将弥补微量养分素，如铁、钙、维生素B和D、锌安博体育官方 、finish*脂肪酸等。生物塑料的出产也将是极度的，仅限于手艺图片演示（独立国的大部门质料都来自地球）。本地的药物出产将仅限于细菌中发生的小份子。水的收受接管将经过过滤、吸拥护蒸馏尿液来完毕，就像此日在国内国际空间站上所做的那样。但是，在这个实践中剩下的盐水将在螺旋藻生物反映器中停止处置，以供给氮的来历。

　　第二阶段开端时，该举措措施将过度到一个永远假寓点，必需撑持100多人。出产种种工程藻类和动物的光生物反映器将被增添，并由野生照明和从火星大气中收受接管的加压二氧化碳供给能源。在初期实验中肯定的合适本地出产的质料将被巨额出产，并用于扩充假寓点，设备温室，并按照必要建设极度的对象。颠末革新的微生物将出产出急需的药物。现场建设的其余医治药物包罗根本的抗生素前体、胰岛素和阿片类药物，这些都已是用地球上的生物建设手艺建设的。收受接管编制将开端处置固体人类废料，如粪便、可生物降解的塑料和未食用的食品。

　　第三阶段将在火星生齿跨越1万人时开端。在这一点上，火星独立国应当有本人的生物锻造厂来按照必要打算本人的微生物。不外，这类环境在很长一段工夫内不会产生。只要当这个星球被殖民时才有大概。咱们离它大概另有几百年的工夫。

　　在这个生物锻造厂中发生的微生物，也许在地球长进行打算和尝试，这些打算以polymer序列的情势也许传布到火星上。在地球上莳植的作物，如大豆、洋葱或花生，颠末改进后也能够在火星前提下保存，将间接在颠末微生物预处置的风化层的庞大温室中莳植。除特别质料，塑料建设将从鉴于生物的手艺转向；其它的将由化学工场出产。但是，生物建设仍将是建设药物的首要手艺。大部门废料将在庞大多级生物反映器中收受接管使用。

　　但是，在这个雄伟的愿景开端实行以前，NASA必需就根本题目做出少少决议。NASA必要供给少少目标，好比他们详细想要甚么？第一次使命将连续多散工夫？咱们的动力估算是几多？咱们有几多水？咱们必要赡养几多人？分解了这些点，咱们就也许静心于打算生物体来实行这完全。到今朝为止，美国宇航局在五年内为 CUBES 供给了约莫1500万美圆的资本。

　　与此同时，MELiSSA 果断地对峙其欧洲脚结壮地的计谋，迟缓而果断地进步。弗朗西斯科·戈迪亚·卡萨布兰卡斯透露表现：“咱们比来一向在与ESA停止构和，并保证了与 MELiSSA 试点工场一同加入下一阶段的资本，该工场恰逢设备一小我类级此外举措措施。我估量在三到四年内，咱们将筹办幸亏长进行第一次尝试勾当。我想咱们必要自愿者。”