火星定居者需要了解的土壤知识可以教我们如何在地球上更好地生长

当人类开始在太空中长期居住时,他们将需要尽可能的自给自足。对于在月球,火星和太阳系其他天体上建立的定居点也是如此。为了避免完全依赖于来自地球的补给任务(这既昂贵又费时),居民将需要在当地收集资源– aka. 原地资源利用 (ISRU)。

这意味着他们’我必须自己购买水,建筑材料和种植自己的食物。尽管国际空间站允许进行涉及太空水培的各种实验,但几乎没有做过任何工作来观察土壤在微重力(或低重力)下的运行情况。为了解决这个问题,Morgan Irons–这家位于弗吉尼亚州的初创公司的首席科学官 深空生态 (DSE)– recently sent her 太空土壤健康 向国际空间站进行实验。

本实验, 受控环境农业引力对土壤稳定性的影响确定,是通过摩根与 诺福克研究所 –其中提供了众多公司(包括DSE)的赠款。诺福克研究所与 铑科学有限责任公司 (该计划的官方航天执行伙伴 国际空间站美国国家实验室)提供了访问NASA发射机会和ISS的权限。

该实验于ISS上启动 2020年10月2日,来自NASA’弗吉尼亚州瓦茨维尔附近的Wallops飞行设施。作为几个科学有效载荷和技术演示者之一,该荣誉是第一个被发送到国际空间站的荣誉。自从太空时代开始以来,种子和植物就已经被送入太空,但地球还没有被发射过。

实际上,以前所有研究地球植物是否可以在非地球环境中生长的尝试都集中在获取月球,火星,小行星和太阳系其他地方的重石样品,以查看它们是否可用作土壤。而且,在大多数情况下,实验涉及的是模拟物,而不是真实的东西(考虑到采购硬质合金样品的成本)。

该实验研究了航天和微重力对真菌和细菌形成的土壤聚集体的影响,代表了多年的高潮。’父女二重奏李和 摩根·艾恩斯,他是共同创办人 深空生态 一起。正如李通过电子邮件告诉《今日世界》:

“深空生态与粮食安全有关。由于火星是最具挑战性的粮食安全问题,因此,如果我们能够解决火星问题,那么我们就可以解决地球上任何地方的粮食安全问题,从海平面以下的盐滩到喜马拉雅山,从撒哈拉沙漠到北极,从地球上最偏远的地方到最密集的城市中心。”

国际空间站的矮矮小麦’先进的植物栖息地。图片来源:NASA

对的东西

DSE的故事始于2016年,就在Morgan和Lee参加 人类到火星峰会 (H2M)在华盛顿特区。这项年度活动由 探索火星, brings researchers from multiple fields of study together with industry experts 和 people from around 日e world to discuss 日e latest news in Mars exploration, as well as 什么 是 needed so humans can eventually live on Mars.

在参加会议的过程中,Morgan和Lee感到担心的是,本次会议和其他会议的焦点仍然集中在火星探测的历史和进行旅程所需的技术上。缺少的是人类到达火星后会做什么?即,他们将如何以可持续的方式种植自己的食物?正如李所言:

“当我看到年轻人仍然希望鼓励他们申请在太空产业中工作时,我知道太空产业的存在将无法完成这项工作。我们不仅是他看到这一点的人。我们知道许多人是在同一时间开始新空间业务的。”

尽管大量研究旨在确定地球上的作物能否在火星重生石中生长,但实际上并没有采取任何措施来解决如何随着时间的流逝使土壤中富含有机分子和矿物质(即肥沃)。由于她正处于完成环境科学与生物学双荣誉论文的风口浪尖 杜克大学在北卡罗来纳州,摩根既着迷又非常有资格解决这个问题。

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摩根从事土壤健康和生物化学研究。信用:摩根钢铁公司

自2015年1月以来,摩根一直在研究一种封闭生态系统(CES)模型,该模型可实现可持续的空间居住。在参加H2M会议的学年中,她开发了一种实验程序来测试火星重石中的预处理,以帮助植物在其中生长。在会议期间,杜克大学温室正在接收她装运的火星重塑模拟物。

这项工作的成果包括 获得专利的CES模型 它利用三个区域来确保可持续的农业实践和非生境的粮食安全。这三个区域以简单的排列方式形成同心圆,由一个生态缓冲区(外圈),一个农业区(第二圈)和人类居住区(最内圈)组成。

根据该专利(2016年7月临时提交并于2018年5月授权),该模型“模仿地球的自我维持和复原能力”并允许创建“在月球和火星上的自我维持和有弹性的人类栖息地,以及地球上任何地方的粮食安全和减缓气候变化。”

目前,摩根正在努力攻读博士学位。在 康奈尔大学雷曼实验室,她正在研究土壤团聚体中细菌的有机粘附机制及其对土壤有机碳持久性的影响。她的最终研究兴趣是了解如何在地球和其他天文物体的土壤中建立生物地球化学循环。

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摩根·艾恩斯挖起土壤,准备进行实验。信用:摩根钢铁公司

太空土壤健康 实验是她博士学位的一部分。研究主要集中在确定重力在微生物驱动的土壤聚集中起什么作用(如果有)以及它如何影响整体土壤健康。该实验的结果将适用于未来的太空任务,但也适用于在家中,由于不可持续的集约化农业和气候变化,土壤正在退化。

摩根还是2020年美国国家科学基金会(NSF)研究生研究员,2019年诺福克研究所研究员,并获得了2019年肯·索萨纪念航天奖 美国引力与空间研究学会 (ASGSR)。她父亲 李·艾伦斯,也是科学家,工程师和企业家。

他先前的工作包括对空间等离子体物理学,能源生产,危险环境的净化和修复以及大型工程和建筑项目的研究。–他全力以赴为非世俗生活创造解决方案。

出于同样的目的,李和 丹·洛佩兹 (企业家,技术专家,以及 SETI研究所‘的顾问委员会)来创建 诺福克研究所。与DSE一样,这个非营利组织也致力于创建粮食安全系统,以确保人类在太空和地球上的弹性。李说:

“有一定数量的研究和开发最好以非营利手段通过以营利为目的的利益来帮助整个行业。我们成立了诺福克研究所(Norfolk Institute)来开展此类工作,以支持诸如深空生态学等公司的使命,这些公司正在努力帮助人类在地球和宇宙中生存和繁荣。

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组成实验的三种土壤类型(从左到右):纤维状,富含有机物,富含粉质粘土。信用:摩根钢铁公司

重力和土壤

土壤绝不会死或变得惰性,它是充满生命的呼吸实体,充满了微生物,土壤动物,营养素,有机质和矿物质。其形成团块(聚集体)的能力是确保其随时间推移保持其结构和质量的关键,因为聚集体在调节使土壤肥沃的重要生物地球化学过程中发挥着重要作用。正如Morgan Irons通过Zoom向《今日宇宙》解释的那样:

“骨料是土壤结构的一部分,取决于骨料的大小,它将影响土壤的孔隙度。听起来是孔隙,它是土壤结构中的孔隙。毛孔之所以如此重要,是因为它们可以使水向下渗透到土壤柱中,[它们]可以使空气进入并进行交换,并且还可以使植物的根部容易渗透。 骨料在您的土壤中形成这种孔隙结构,使这些事情发生。

但是,正如Morgan所言,集料的作用不仅限于保持土壤结构。根据多种证据,理论上讲它们也可以长期保护有机物。这是由于并非所有的有机物’被添加到土壤中的微生物会被微生物自动分解成化学成分,这些化学成分会立即被植物消耗或浸出到土壤柱中。

在某些情况下,有机分子会吸附土壤中的矿物质,从而形成细菌无法渗透的保护层。摩根说:

“在这些土壤团聚体中可以保护有机质,这导致土壤有机质的长期隔离或长期持久性。土壤有机质或有机碳的持久性 对土壤的肥沃性非常重要,因为你不’不要让您的营养源直接流过土壤柱或迅速分解。如果你’如果不满足输入速率对吸收速率的要求,您的土壤将非常缺乏营养。因此,隔离出有机物可以帮助您长期保持土壤肥力。”

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艺术家’s impression of DSE’带有居住区的火星纪元X1。信用:DSE

他们的目的 太空土壤健康 experiment 是 to see 什么 (if any) effect microgravity will have on a soil sample’s ability to form 微骨料 要么 宏观聚集 会隔离营养。 宏观聚集 如果将它们的手挖入一堆土壤中,就会发现一大团的污垢,而微集料要好得多。

由于土壤有许多不同的品种,这与植物的生长能力有关,因此Morgan和她的同事选择了三个土壤样品进行实验。这些样本分为三类: 纤维的, 有机富含粘土 (粉红色),并根据其特定的成分和质地进行选择。

纤维样品 由提供 生物365是位于纽约州伊萨卡市的商业农业用营养密集土壤的商业制造商。这种土壤经过专门工程处理,并用生物炭(由分解的生物质生产的天然木炭)强化,以确保土壤中充满了养分和有机物质。

有机样品同时,是由 Matthias Rillig博士 (生物学教授)在 柏林自由大学。这种土壤主要由浓沙组成,具有高度的孔隙性,并由较大的沙粒组成。它还包含许多有机材料,并且密度高,这使其成为“疏水的(意味着它不’不能很好地吸收水)。

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火星纪X1内的生态缓冲区。信用:DSE

富含粘土的样品 也来自伊萨卡岛,特别是康奈尔大学校园内的有机农场。这种土壤在纽约州很常见,可以追溯到上一个冰川期(约115,000 – 11700年前)。其物料来源(母物料)为“glaciolacustrine,”因为它来自撤退的冰原,这些冰原刮走了大湖地区的物质,并在其他地方沉积为土壤。

与其他样品相比,这种土壤的孔隙尺寸较小,并且比沙质土壤(柏林样品)更容易凝集。在这些样本之间,Morgan正在研究重力(或重力缺乏)对土壤中真菌菌丝体产生和细菌有机黏附剂(保持性)产生的影响,对土壤团聚体稳定性的影响以及这些团聚体中有机碳的吸收。

了解重力对土壤微生物的功能和生态动力学的影响,以及土壤生物地球化学将有助于在太空中耕种, 从而支持深空生态学的目标。正如摩根所说:

“这些矿物土壤之间的不同质地使我们能够研究微骨料与大骨料的潜在形成,以查看它们是否可以在微重力环境中实际形成。如果它们在微重力环境中形成,我们会问一个问题, ‘is it because of 日e 微生物,在土壤中产生有机胶粘剂,从而产生必要的有机矿物质相互作用?’如果这些团聚体仍在形成,则可能意味着微生物机制’允许发生这种情况的是’必然与重力有关。”

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火星纪元X1内的农业区。信用:DSE

简而言之,该实验旨在研究重力是否是允许微生物执行聚集体形成功能的机制的一部分。鉴于这些微生物是在地球上的土壤中进化而来的,因此人们普遍认为,如果将它们从地球上带走,’在重力的作用下,它们的功能可能会不同。但是正如Morgan所言,国际空间站上的植物研究已经表明这不是’t always 日e case.

“有时重力是这种巨大的力矢量,因此具有这种掩盖效果,它可以掩盖或隐藏什么’实际上发生在那个基本的,机械的层面上,” she said. “因此,如果您从该方程式中减去了巨大的力矢量,而所有功能仍在起作用,则必须问‘what’实际上是在驱动该工厂,该系统以这种方式工作。””

本实验

太空土壤健康 实验由三个土壤样品组成,每个样品被分成四个小瓶,分别放入4毫升(0.135液体盎司)的小瓶中。然后将每组12个细分为两组,每组六个,Morgan称之为“free-floating” 和 “restricted movement”组。在前者中,土壤能够在微重力下自由漂浮,而后者则配备了网状塞子,可以将土壤压低,但允许水和空气通过。

As Morgan said, 日e purpose of 日is 是 to see 什么 effect being allowed to free-float vs being held close together will have on 日e soil’的微生物组。他们预计结果会有些不同:

“Allowing 自由浮动 vs. 限制运动 allows us to test 日e abiotic effect of soil structure on 日e soil microbiome. This gets into one of our hypotheses where we 日ink 日e fungi aren’如果允许土壤自由漂浮,那么也一定会做得很好。因此,我们可能会看到种群的变化,其中真菌种群可能减少而细菌种群保持不变或增加。

细菌倾向于说他们在哪里–他们坚持一种矿物质,坚持有机物质,并且很容易走。与真菌一起使用时,它们依靠整个土壤样品中的菌丝网络。如果您分解该结构,在哪里’s just 自由浮动 now, 日e fungi might 不 do as well. 当然,这将影响我们可能会或可能不会在样品中发现的骨料的丰度和稳定性。”

2020年9月28日,在Wallops飞行基地的Antares火箭准备发射。信用:摩根钢铁公司

但这不’t end 日ere. For 日e next experiment treatment, 日e 限制运动 和 自由浮动 samples were each subdivided into two groups of 日ree, which were 日en administered water at 60% 和 30% of 日eir respective holding capacities. As Morgan explained, all 日e samples were had to be air-dried beforehand 和 could only be watered at 日e launch site (which she did herself_)shortly before blastoff:

“在发射前,在将它们移交之前,我给它们浇水以激活它们。因为一旦水碰到它们并被允许进入那个环境,微生物就会开始加强其微生物过程。利用30%和60%的持水量,我们可以测试微生物活动对土壤的生物效应–30%是类似干旱的条件,而60%是最佳水条件。 30%试管中的微生物可能无法达到60%试管中的微生物相同的容量。”

截至10月15日,NASA通过 国际空间站在轨状态报告 机组人员删除了实验’从天鹅座飞船的存放位置起五个小室,然后将样品放入冷藏室。

解决地球

引用著名的科学传播者Sian Proctor博士的话,“解决空间就解决了地球。”当描述“深空生态学”及其实验时,尤其如此,这些实验侧重于开发利用现代科学和生物学以及古代知识和知识的系统。“best practices”这将使人类能够在极端环境中耕种。

DSE火星纪元X2栖息地的透视图。信用:DSE

毕竟,农业是人类已知的最古老的科学,已经存在了超过11,500年。就像Morgan所说的那样,我们实践它的古老祖先是科学家自己– after a fashion:

“几千年来,我们’有土著人从事农业,他们’之所以能够做到可持续发展,是因为他们’ve [从反复试验中学习]。他们自己是科学家,他们通过学习什么有效,什么无效’在工作中,他们了解了如何以可持续的方式与环境合作,并考虑了生态系统的功能以及世代相传的维护方式。”

摩根引用的一个很好的例子是生活在内盖夫沙漠中的那巴特文明–在现代约旦,埃及和沙特阿拉伯之间– from 日e 4 公元前世纪至公元106年,以佩特拉古城为中心。由于其农业和水运系统,这种文明在鼎盛时期能够为沙漠中的30,000人提供支持。

摩根认为,导致这一情况的工程壮举至今仍令考古学家震惊:

“当现代科学家和考古学家开始研究这一地区并研究佩特拉市时… 什么 日ey found was 日e water collection system, 日e water storage cisterns, [and] 日e irrigation systems of piping technology 日at 日ey used during 日e 4th century BCE to 106 CE were all ‘best practice.’

换句话说,工程师无法’它做得更好吗,就像他们尝试用相同的材​​料在现代中重新创建它一样,’之所以如此,是因为纳巴第人试图了解他们的景观[以及]水如何 自然 穿越他们的风景 to开发最有效和可持续的技术。

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AlKhazneh寺的入口在古城佩特拉,约旦。图片来源:Graham Racher /维基共享资源

今天,由于多种因素的影响,农业已大为不同。一方面,欧洲在美洲,非洲和亚洲进行了殖民(16 到20年初 世纪)导致对土著社区的破坏和强行拆除。它还导致了知识和地方实践,这些知识和实践都与可持续地生活有关,而土地已被欧洲的农业实践所取代(强调了产量)。

另一个主要因素是工业革命(大约18年中 到20年代初 世纪)导致了农业机械的引进,可以支持更大规模的运营。随着这一趋势的加剧,“绿色革命”在1950年代和1960年代,以化学肥料,杀虫剂和除草剂的方式引入了更多, 加强土地管理,以及引进转基因作物。

这些做法是不可持续的,并导致土壤退化和全世界耕地的消失。这是在全球人口持续增长,越来越多的土地用于城市基础设施建设的时候发生的。它’这也加剧了日益严重的气候变化问题。正如Morgan所总结的,随着时间的推移,土壤退化意味着从我们的大气中清除的碳更少:

“我们的陆地景观是地球上最大的有机碳汇。土壤中含有大量有机形式的碳,因此土壤结构使有机物得以保护,持久存在或被隔离在池中,而不会分解和释放为一氧化碳。2 回到大气中,对气候变化也非常重要。

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艺术家’对火星纪元X2的印象,俯视图。信用:DSE

简而言之,发展可持续农业的方法不仅将确保人们前往太空旅行或在其他星球上生活,他们将有足够的食物,而且还将使家里的土壤焕发青春。第一步之一就是确定土壤健康和地球植物是否需要重力才能生长和繁衍。

这个问题的答案将对太空,月球,火星以及太阳系其他任何地方的食物生产产生巨大影响,人类选择建立持久存在。摩根和她的同事怀疑地球重力的存在(1 g)可能 始终是必不可少的因素,这意味着可以使用真实的土壤(而不仅仅是水培法)在空间或其他陆地上种植植物。

但是,如果地球重力 essential, 日at means 日at all future space facilities will have to rely on artificial gravity to grow 日eir food. As for places like 日e Moon 和 Mars, where 日e gravity 是 lower, further experiments will be needed to determine to 什么 extent lower gravity will affect our ability to grow crops.

目前,DSE已针对三代 火星准封闭农业生态系统 –又名火星纪元X1至X3–这样可以逐步适应和解决火星问题。从上面发布的图像(和下面的视频)可以看到,这些设计要求在密封和透明圆顶内创建封闭的生态系统,并且形状和大小多种多样。

在业务方面,Lee Irons表示,DSE将于2021年推出客户界面,客户可以在其中回答有关他们所寻找内容的特定问题。这将与DSE将为潜在客户提供的产品和服务目录配对。该界面将包括即将发布的Earth系列产品和服务。

“我们已经证明我们的想法是正确的,” said Lee. “我们的首席科学官Morgan Irons是专利持有人,美国国家科学基金会研究生研究员和康奈尔大学(Cornell University)世界顶尖农业大学的博士研究生,目前在国际空间站进行实验。我们有计划中的地球市场解决方案和相关计划,我们正在寻求投资资金。”

有关他们的研究,服务和长期愿景的更多信息,请查看 深空生态诺福克研究所 网站。

进一步阅读: 深空生态, 诺福克研究所

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