地外生命支持新范式：生物材料构建自维持太空栖息地的可行性研究

本研究针对地外栖息地建设的高成本运输难题，创新性提出利用生物材料（PLA/PHA）原位构建生命支持系统。团队通过3D打印PLA生物塑料舱在模拟火星环境（600 Pa CO2）中成功培养真核绿藻（Dunaliella tertiolecta），证实生物材料可同时满足UV屏蔽、可见光透射和压力维持（3-4 kPa）需求，为可持续太空殖民提供突破性解决方案。

　　

在人类探索宇宙的进程中，如何建立可持续的地外栖息地始终是核心挑战。传统方案依赖从地球运输高强度材料，成本高昂且不可持续。更棘手的是，火星等天体表面存在极端条件：大气压仅600帕斯卡（不足地球1%）、强紫外线辐射、昼夜温差超100°C，以及富含高氯酸盐的有毒土壤。这些因素使得液态水稳定存在和生命维持变得异常困难。

为突破这一瓶颈，研究人员独辟蹊径，提出"用生命本身的产品构建栖息地"的革命性理念。受地球生物圈启发，团队系统评估了生物材料在极端环境中的适应性。研究聚焦三大核心需求：阻挡致命UV辐射、透射光合有效光辐射（PAR）、维持千帕级压力差以稳定液态水。通过对比三种常见生物塑料——琼脂糖（agarose）、聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA），发现1毫米厚的PLA兼具优异机械强度（27.9 MPa）和光学性能（可见光衰减系数0.65 mm^-1），能完全阻隔UV-C并部分过滤UV-A/B辐射。

关键技术方法包括：使用3D打印技术（Dremel 3D45）制造PLA生物舱，有机蜡-树脂复合密封；在定制行星环境模拟舱中建立600帕CO₂低压系统，通过质量流量调节器和残余气体分析仪（RGA）精确控制气体组成；选用真核绿藻杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）作为模式生物，采用Erdschreiber培养基，通过血细胞计数法监测生长动态。

【Bioplastic material properties】
材料测试显示：PLA的屈服强度达27.9±5.74 MPa，理论计算表明1毫米壁厚即可支撑10厘米半径舱体的10 kPa压差。光学性能测试中，PLA对可见光的透射率达71%，完全阻隔100-280 nm UV-C辐射，显著优于PHA（可见光完全阻隔）和脆性的琼脂糖。

【Algal growth experiments】
在模拟火星环境中，PLA生物舱内的绿藻展现出与常压对照组相当的生长曲线，峰值生长速率μ达0.9 day^-1。RGA监测显示昼夜O₂/CO₂波动（5 μmol hour^-1 O₂释放），证实光合作用正常进行。

【pH and CO₂ permeability】
CO₂渗透实验测得PLA舱渗透率230 barrer，虽高于纯PLA标准值，但证明气体交换可行。pH模型显示火星CO₂分压下海水培养基pH为7.0，未影响藻类生长。

【Temperature regulation, radiation, and toxicity】
提出纳米纤维素气凝胶（69 kg/m³）被动控温方案，2厘米厚度可实现50K温升。针对火星高氯酸盐污染，建议采用微生物还原或基因工程改良植物等生物修复策略。

【Scalability of closed-loop biomass production】
建立数学模型显示：当生物质-生物塑料转化效率?>16%时，系统可实现指数级扩展（1-2年倍增周期）。计算表明0.3米深藻类培养层每日可产22 g/m²生物量，完全满足1.25 kg/m² PLA舱体材料需求。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究开创性地证明：生物材料可构建地外自维持生态系统。其意义不仅在于大幅降低太空任务质量（传统金属舱壁重量可达生物塑料的100倍），更开创了"生物制造-生命支持-材料再生"的闭环范式。研究者特别指出，该技术路线可延伸至人类居住舱建设，且其生物降解特性对解决地球塑料污染具有双重价值。未来通过合成生物学优化光合途径、开发原位聚合酶，或将实现完全生物驱动的太空殖民。正如文中所强调："正如地球生命依赖生物圈维系，地外长期生存必须依托生态系统支持"——这项研究正是迈向太空生物圈的第一步。