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别那么乐观:人类或许永远都无法殖民火星

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许多人理所当然地认为人类将在不久的将来在火星上建立一个繁荣,长期存在的定居点。但在某种程度上,这种观点可能过于乐观,低估了在火星定居时将面临的挑战和困难。除非我们大大调整我们的大脑和身体以适应火星的极端环境,否则这个红色星球永远不适合我们定居。

▲好奇号流浪者拍摄的火星照片

是的,我们经常听到科学家们说火星是整个太阳系和地球中最相似的行星,但实际上这太简单了。

火星,不友好

火星很冷,死了,它的气氛比地球薄100倍,而且剩下的少量大气成分几乎都是二氧化碳,有害的太阳辐射几乎可以到达火星表面,没有任何阻碍。由于气氛稀薄,火星表面的大气压力非常低,约为600帕斯卡,仅为地球海平面标准大气压的0.6%左右。如果没有太空服的保护,你将在如此低压的环境中受到严重伤害:你的肺部会爆裂,你的皮肤会肿胀,你的身体会膨胀并最终死亡。薄的气氛也意味着它不能很好地保持热量。火星表面的平均温度为零下63摄氏度,最低可以降至零下126摄氏度。相比之下,地球上的最低温度记录于1982年6月23日在南极的苏联东部站记录,值为零下89摄氏度。一旦温度降至零下40度以下,受到良好保护的人将在5至7分钟内遭受严重的冷害。

火星的质量也远远低于许多人的感知。火星表面的重力潜力约为地球的37.5%,这意味着地球上重约180磅(约163磅)的人将在火星上减掉68磅(61磅)。这对许多梦想减肥的人来说听起来不错。但从长远来看,这种低重力环境会对人类健康产生严重的不良后果,甚至可能对人类的生殖能力产生负面影响。

但即使存在一个或另一个问题,似乎主流观点一直认为人类很快就能在火星上建立殖民地。 SpaceX创始人伊隆马斯克想象在20世纪50年代在火星上建立一个人类殖民地,而英国威斯敏斯特大学的天体生物学家刘易斯达内尔给出了一个相对保守的预测,他认为在另一个50到100年后,可能会有相当多的人类,在火星上建立一个自我维持的定居点。阿联酋是中东的一个富有的石油国家,此前曾宣布它希望在公元2117年左右在火星上建造一个人口约60万的火星城。

火星的地球化学转化是否可行?

遗憾的是,上述所有内容目前只是科幻幻想。当然,毫无疑问,最终人类将能够踏上火星,甚至在那里建立一个或多个基地,但如果我们说我们将在火星上建立一个可容纳数百人的真正定居点。至少就目前而言,这是一个严重低估这种前景所面临的巨大挑战的点。

太乐观了

Louis Friedman是航空航天工程的先驱,是美国行星协会的联合创始人,也是《人类的太空飞行:从火星到群星》的作者。他将当前建立火星基地的过度乐观情绪与对20世纪40年代和50年代“缺乏基础”的盲目乐观进行了比较。

他说:“当时,许多主流科学期刊《大众机械》和《大众科学》等使用封面文章来报道建在海底或南极上的人类住区。”他指出,这给人一种感觉。无论生活条件多么具有挑战性或不适合,人类似乎都能够在地球的任何角落生存和定居。他说:“但最终,这些事情都没有发生。我们偶尔会访问南极洲。我们甚至在南极大陆设立了一些研究站,但就是这样。海底的情况更糟,所进行的活动那里的人类。非常非常有限。“可以看出,在南极或海底几乎不存在所谓的人类“定居”建筑。即使南极和海底比火星更容易到达。

在人类登陆月球成功后,弗里德曼和他的同事对未来变得非常乐观。他们相信人类可以做越来越多的事情,例如在月球或火星上建立人类殖民地。但事实是,无论是哪个载人航天计划,无论是阿波罗计划,航天飞机计划还是国际空间站计划,都未能为未来的火星殖民建立必要的技术基础,如建设必要的基础设施和寻找安全。以及在现场获取食物和水的可行方法,以抵消长期太空飞行中强辐射和低重力环境对人类的影响。与其他领域不同,他认为载人航天领域的技术进步似乎“停滞不前”。弗里德曼认为,未来我们将能够在火星上建立一个基地,但他认为“历史经验”告诉我们,在可预见的未来在火星上建立人类殖民地的前景并不乐观。

▲火星在火星附近的北极发现的水和冰物质

佛罗里达大学的神经科学家Rachael Seidler说,许多人显然不完全明白在火星上维持长期殖民地是多么困难。

Seidler是机器学习和微重力环境对宇航员影响的专家,他说:“人们对火星殖民化的看法往往乐观,但这不是一个糟糕的检查,很难兑现。”他说:“很多人都持乐观态度。他们可能只是认为我们不应该基于一些现实原因限制自己,但我同意可能存在许多生理上潜在的负面后果。”

赛德勒说,美国宇航局和其他太空机构目前正在努力开发和测试各种措施,以应对未来火星生活中可能面临的各种负面影响。例如,在国际空间站工作的宇航员患有严重的肌肉萎缩和骨质流失,他们试图通过对空间站进行锻炼和力量训练来缓解这一问题。无论是国际空间站长期生命造成的健康问题,还是火星低重力环境中可能造成的长期生命影响,赛德勒都认为我们还远未能应对。

在他的新书《关于未来:人类的前景》中,宇宙学家和天体物理学家马丁里斯以一种简单明了的方式解释了火星人类殖民化的未来:

“到2100年,那些在人类中冒险的人可能已经建立了一些独立于地球的'基地',例如在火星上或小行星上.SpaceX创始人伊隆马斯克(1971年出生)曾说他想死在火星上,只要不是因为冲击造成的死亡。但是不要以为地球上的大规模移民很快就会到来。在这个问题上,我强烈不同意马云。我对同事的乐观看法剑桥大学的斯蒂芬霍金认为,人类很快就能够在火星上建立大规模的人类住区。火星可以在地球上提供逃避问题。这个想法是一种危险的错觉。“我们必须在地球上解决这些问题。应对气候变化听起来像是一项艰巨的任务,但与火星的地球化学转化相比,它是一种儿科游戏。在整个太阳系中,很难找到像地球的南极或珠穆朗玛峰这样的“温和宜人”的环境。对于具有“避风港”本能的普通人来说,目前没有“第二地球”。

巨大的环境挑战

在“全球转型”背后,有一个庞大的系统工程背后。所谓的“地形”是指通过大规模的地质工程改造将行星转变为适合人类和其他生物的环境。对于火星来说,这意味着在其大气中添加大量氧气和其他气体以提高其温度和压力水平,当然还有许多其他需要干预的区域。通常,关于殖民火星,许多人会说这是改变火星和“全球化”的第一步。这个想法出现在许多科幻小说中,例如Kim Stanley Robinson着名的《火星三部曲》。但弗里德曼提醒说,在全球范围内进行环境改造需要至少一千年的时间。

Briony Horgan是普渡大学的行星科学助理教授。她认为火星的“地球修饰”是一种白日梦,一种远远超出当前和可预见的未来的幻想。

当谈到地球工程火星时,我们还必须考虑其他因素。例如,如果我们想要开展这种规模的项目,我们是否有足够的资源来开展这些注定要持续数代的庞大项目?在2018年杂志《自然》上发表的一篇论文中,美国科罗拉多大学的布鲁斯雅科斯基和克里斯托弗爱德华兹曾经测量过,制造火星的大气压力已经恢复到人类可以在其表面上生活而不会磨损的程度。特殊加压航天服。我们需要向火星大气中注入新的二氧化碳。当然,这也会增加火星的表面温度,从而允许液态水存在于火星表面。他们的研究得出结论,火星本身储存的二氧化碳气体可能还不够。如果将来要进行“接地”改造,那么我们需要以某种方式将大量的天然气从外部输送到火星。

这里需要澄清的一件事是,并非行星变换完全不可能,而是在可预见的未来难以实现改变火星环境所需的时间尺度和先进技术。

在我们能够真正改变未来的火星环境之前,我们将不得不面对一个糟糕的火星。这意味着强烈的辐射,仅这一点就会对初到那里的先驱者构成严重的健康威胁。

霍根说,为了殖民火星,我们面临着许多巨大的挑战,强烈的辐射环境只是其中之一。她认为这是很多人,包括SpaceX内部的许多人,他们还没有完全考虑过它。生活在火星地下或建造辐射屏蔽基地可能是一种选择,但我们仍然期望随着火星寿命的延长,癌症的发病率将几何上升。

她说:“在辐射防护方面,你实际上可以做到有限。”她指出:“我们可以定量评估剂量和风险,例如,在一年内,但对于非常长期的情况,这样的评估将难以实施。问题是你不能留在地下或基地保护室永远。如果你需要出去完成某些任务,你将不得不面临风险。“

Hogan提到最近发表在《自然》杂志上的一篇论文指出,火星表面的辐射环境比我们原先想象的要糟糕得多,而且“我们没有长期的辐射防护解决方案,所以我们有考虑它。火星的长期居住,除非你准备承受辐射相关疾病的风险。“根据暴露于辐射的方式,过度辐射会导致皮肤灼伤,放射病,癌症和各种心血管疾病。

原则上,弗里德曼也同意我们可以住在火星的地下或建造有辐射防护的设施。也许辐射问题可以解决,但他仍然认为这个问题非常困难,甚至在某些方面它也是“反人类的”。

我们还没准备好

生活在火星殖民地未来的人们将非常痛苦,因为他们将不得不住在一个带有人造光源的地下设施中,而不是在天空中,或者在有厚保护层的地基中。减少旅行所花费的时间。

在这样一个封闭的环境中生活很长时间,外出的机会很少,并且会导致其他健康问题,例如抑郁,外部刺激缺乏反应,注意力不集中,视力丧失,高血压与国际空间站一样,火星上的定居点将是一个只有少量细菌的“微生物沙漠”,实际上不利于维持人体内微生物菌落的平衡。

另一个问题与动机有关。正如弗里德曼先前所指出的那样,我们没有看到人类长期生活在南极或海底,所以我们有什么理由为许多愿意去火星的人提供服务,这远远不够比南极还是海底友好?生命?与地球上的生命相比,去火星显然不是一个好的选择,至少在生活水平方面,肯定会有严重的衰退。

此外,到目前为止,人类是否能真正在火星上繁殖仍是一个悬而未决的问题。火星强烈辐射环境对人类胚胎的影响可能是什么?怀孕期间这种低重力环境中的生命可能会发生什么?我们目前还不确定。我们不知道精子和卵子在火星环境中会产生什么影响,我们不知道受精过程是否会在那个环境中发生变化。最重要的是,我们不知道低重力环境会如何影响孕妇和胚胎。

人体生理学和运动学专家塞德勒说,火星环境中的人类怀孕仍然是一个棘手且未知的问题。由于低重力环境,发育中胚胎在子宫中的位置趋于高,这可能导致孕妇膈肌的压迫,这可能导致孕妇呼吸困难。低重力环境还可能导致身体对正常妊娠过程“混淆”,导致关键阶段的异常,例如妊娠39周时的预生产。在地球上,骨骼,肌肉,循环系统和其他人体生理系统在重力的背景下发展。也许在火星上,人体将逐渐适应新的引力环境,但无论我们的身体是否真的能够做到,我们实际上都是不确定的。人工子宫可能是一个可能的选择,但同样,这不是我们目前的技术可以达到的领域,同样难以解决低重力环境对胚胎发育的影响,除非这个人工子宫特别放入人造重力在环境中。

有一点可以强调,我们应该严格禁止在火星上繁殖,直到我们对这个问题有了更深入的了解。但火星距离地球5500多万公里。在如此遥远的地方,有效执行这一禁令本身就是一个问题。我们只能希望火星社会不会倒退到完全的无政府主义和完全无视公共安全和现有道德标准。

如前所述,生活在低重力环境中会对健康产生影响。在太空执行长期任务的宇航员,如在太空执行任务超过一年的宇航员,已经表现出许多症状,包括骨质流失和肌肉萎缩、心血管疾病、免疫系统和代谢紊乱、视力。模糊、平衡和感知障碍等问题会不会在火星上发生,如何应对?我们不知道。或许,火星上的长期生命,如10年和20年后,类似的低重力环境所引起的问题将逐一出现。

赛德勒说:“由于火星的低重力环境,生活在火星上可能会有一些生理或神经问题。”

她说:“目前尚不清楚这些变化是否会在某个时间点稳定下来,并不会继续恶化。我们的研究表明,在微重力环境下,人类的大脑会向上出现在头部,以及大脑的一些灰色区域。减少,但其他区域会增加,白质的某些区域也会发生结构变化,大脑中的液体会集中在头骨顶部。”

塞德勒说,这些症状中的一些与在微重力环境中生活的时间有关,从两周到六个月不等,但目前缺乏长期停留的观测数据。她说:“有些症状可能最终会达到极限并稳定下来,比如脑水肿,因为大脑所能容纳的液体量是有限的。此外,人类神经系统还具有很强的适应性,它可以“学习”如何在微重力环境中控制身体的运动,即使神经信号的输入可能会相应改变。但是,需要再次指出的是,我们不太确定极限在哪里。

虽然火星的引力环境相对较低,但毕竟不同于完全失重,因此与失重的影响相比,其症状在理论上不应该那么严重。但无论是在太空还是火星表面,神经系统感应到的信号输入都会与地球不同。这可能会导致平衡和运动功能出现问题,但研究人员认为,经过一段时间后,宇航员应该能够很好地适应新的环境。

赛德勒说:“关于微重力和重力降低对人体生理影响的研究仍然不足。我们还不知道安全和健康风险,我们需要做更多的工作。

长期在太空中航行的宇航员在返回地球后的最初几周内会经历一段时间的疼痛,包括恶心,恶心,视力模糊和身体虚弱。有一些宇航员,如美国宇航局的宇航员斯科特凯利,他在太空中执行了长达一年的任务,他觉得他永远不会回到过去。回到地面后,他发现他在认知测试中的分数已经下降,基因也略有变化。 NASA的研究表明,从太空返回所需的恢复时间与在太空中执行任务所需的时间长度成正比。任务执行的时间越长,返回地面后恢复时间就越长。遗憾的是,我们没有详细的微重力环境监测数据超过一年或更长时间,所以如果你在火星上生活很长一段时间并在如此低重力环境中生活超过10年会发生什么?什么?这仍然是一个悬而未决的问题。

新的智能生命物种是否诞生了?

基于这些线索,不难想象适应火星的减重环境对首次火星游客来说是一个巨大的挑战,但相反,如果我们的宇航员努力适应那里的环境。那么,如果你希望他们此时返回地球,那将是一项艰巨的任务。如果他们的孩子出生在火星上(无法确定他们是否可以在火星上谋生),那么这些孩子就会长大并想回到地球。他们很难完成。他们已经很难了。适应地球的环境。

除此之外,您还必须担心其他健康问题,并且在许多其他地方可能会出现问题。我们对火星环境如何影响我们的大脑,身体和情绪能力知之甚少,并且随时可能发生意外情况。与地球相比,生活在火星上的人们的生活可能会大大缩短,但我们再一次无法断言,一切都只是猜测。

最后,火星上的初始定居者可能会陷入每天都在努力工作的境地。缺乏食物和饮用水可能进一步限制我们维持和扩大所谓的“殖民地”的能力。

Hogan说:“有可能建立稳定的资源来维持生存,但这不是一件容易的事。我们的住所必须靠近水或水冰储存,但要做到这一点。有一件事,我们的定居点必须离火星北极非常近,但问题是你往北走的越多,生活环境就越差。冬天越冷,太阳就越少。“

最初的定居者也必须设法解决食物来源的问题,他们必须找到在火星上种植庄稼的方法。火星上的土壤是有毒的,含有大量危险的高氯酸盐,因此也有必要避免它。为了种植农作物,定居者可能需要建造一个地下水培养温室。这将需要特殊的照明,专门为火星环境设计的转基因作物,以及充足的水,其中最后一种是火星上珍贵而难以获得的资源。

霍根说:“人们显然没有意识到这是多么复杂。在我们的脑海中建立一个相对安全和稳定的殖民地是非常困难的。”

从技术上讲,可能有办法解决这些问题,例如,我们可以开发专门针对可能在火星环境中发生的各种疾病的药物。但这需要时间。即使我们可以开发这样的药物和疗法,它们的规模也注定要在小范围内使用。一个研究基地是可以的,但如果它是一个人口众多的定居点,那么许多患者需要不断的护理和治疗,这将变得无法忍受。

正如马丁里斯指出的那样,火星和其他太空环境“自然不适合人类生存”。但正如他在书中写道:“我们和我们的后代,应该为今天的先驱们欢呼,因为他们将开辟一个后人类时代,他们将在公元22年决定将在本世纪的未来发生什么,甚至更多。“

里斯提到的“后人类时代的未来”指的是一种预想的未来局面。那时,人类经过广泛的生物和机械神经转化,很难被归类为人类,所以他们称之为“后人类时代”。因此,尽管从今天的角度来看,火星是一个难以进入并难以生存的地方,但对于那些有勇气的人而言,他们愿意让自己的身体经历完全转变以适应特殊环境火星,我们眼中的火星与我们眼中的火星非常不同。

其中一个可能的选择是彻底改变人类的生理特征,特别是适应火星上的特殊生活环境。正如里斯在他的书《论未来》中提到的那样:

“那么,由于适应火星等新栖息地时遇到的适应性问题,这些先驱者将比我们生活在地球上的人更有动力改变自己的身体并重新设计自己。适应新的生活环境。“

这些人将获得人类在未来几十年内开发的高级基因工程和机械工程研究的成果。预计这些技术将在地球上严格控制,但在火星上,这些技术可能是可用的。我们只能祝愿这些人及其后代好运,并希望他们能够适应火星的特殊环境。但这可能是一个新的智能物种诞生的开始。基因工程和人机对接技术将逐渐导致人类逐渐偏离我们的传统认识,最终最终成为完全摆脱物质构成的物质,并成为“无机智慧生命”。因此,那些冒着生命危险的航空航天先驱,而不是那些坐在电脑前舒服的人,将来会开辟人类的新领域。