当人类最终踏上火星尘土飞扬的土地时，他们并非独自旅行。未来任务中的一些宇航员会小到肉眼看不见。但这并不意味着他们不会扮演至关重要的角色。
载人火星任务需要住所、可呼吸的空气、衣物、食物、药品、能源以及废物处理等服务。其中许多需求都可以通过生物来满足。
“我们数千年来一直在利用生物作为技术，来制作我们的衣物、房屋，”NASA艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德）的宇宙生物学家和合成生物学家琳恩·罗斯柴尔德（Lynn Rothschild）说。“认为我们将在火星上以其他方式做到这一点，是有些疯狂的。”
与其完全依赖从地球进口的物资，宇航员可以使用微生物在当地生产一部分。某些细菌可以利用火星有限的资源，在殖民地内部支持简单的生态系统，甚至帮助小植物生长。它们可以制造氧气或分解废物。它们可以被诱导生产有用的材料，或帮助开采金属。
“我们必须利用我们在火星上发现的东西。我认为我们需要生物学来实现这一点，”罗斯柴尔德的学生，罗马大学（University of Rome Tor Vergata）的博士候选人西普里恩·韦尔瑟（Cyprien Verseux）说。
火星上的生命？
火星勉强宜居。这意味着携带微生物会引起搜寻当地生命的科学家的担忧。“如果那里确实存在一种生命形式，而我们污染了它或者彻底将其杀死，那将是一场巨大的悲剧，”罗斯柴尔德说。
地球微生物也可能在后来被宇航员“发现”时引起混乱。“存在这样的风险，你……无法确定它是否是火星生命，”韦尔瑟说。“所以我们真的需要确保我们不会用用于生命支持的微生物污染火星。”
确保我们负责任地探索太空是NASA的行星保护办公室（口号：“所有行星，所有时间”）和国际空间研究委员会（COSPAR）的关注点。
火星任务的规定比对月球和小行星探测器的规定更严格。那些天体不太可能孕育生命。但“去往火星，那里可能存在宜居环境，你必须非常保守，直到有相反的证据，”SETI研究所（位于加利福尼亚州山景城）的高级科学家玛格丽特·雷斯（Margaret Race）说，她从事行星保护工作。
将适用于载人火星任务的政策尚未制定。“还没有确切的答案，”雷斯说。“如果现在有人想故意引入[微生物]，他们将无法做到。”
无论如何，当宇航员到达火星时，他们都会携带微生物。“我们都有人类微生物组；如果你派人类去，你不可能先对他们进行消毒，”雷斯说。
限制污染的一种方法是为最有可能孕育本土生命的地方提供特殊保护。另一种方法是修改我们微生物的DNA，使其无法被火星生物“读取”和整合。
国际社会仍在考虑如何最好地规划那些故意将人类和其他生命带往火星的任务。“没有人想阻止这件事，”雷斯说。“但我们正在说，当我们走向明显未知的领域时，我们如何确保我们做得负责任？”
地球生命能在火星上生存吗？
从技术上讲，我们已经将生命带到了火星。当我们发射探测器时，我们尽最大努力在它离开地球轨道前进行消毒，但仍然不是100%有效，柏林工业大学的宇宙生物学家迪尔克·舒尔茨-马克（Dirk Schulze-Makuch）说。“问题只是它们在那里是否有机会生存。”
然而，罗斯柴尔德指出，那些微生物不太可能已经繁衍并污染了这颗红色星球。这是因为，正如爱丁堡大学的宇宙生物学家查尔斯·科克尔（Charles Cockell）在2002年所写的那样，火星是一个糟糕的生存之地。
低重力（约为地球重力的38%）可能不会困扰这些微小生物。而且肯定有足够的阳光进行光合作用。但火星非常寒冷，平均地表温度为-80华氏度。而且空气稀薄，大气压只有地球海平面压力的1%左右。我们的星球有磁场保护我们免受辐射；火星没有。此外，火星比地球上任何地方都要干涸。“在大多数地表，没有液态水的可能，”科克尔说。“这是一个干燥的……被辐射烘烤的环境，”他说。
许多微生物可以进入休眠状态，地球微生物有可能被吹入受保护区域或被掩埋。如果它们能找到藏身于岩石之下，它们可能会免受最恶劣的寒冷和辐射。但它们必须从空气中吸收水分，或者在季节性的盐水渗流中寻找水源。很久以前由熔岩形成的火星洞穴也可能容纳水源和更厚的大气层。另一个可能的避难所是火星极地冰中的液态水滴。
“普遍的看法是，这很可能没有发生，而地球微生物已经死亡，”舒尔茨-马克说。“然而，我们不能确定——是的，火星地表是严酷的，但我们的地球微生物，你也不应低估它们。”
罗斯柴尔德表示同意。我们的微生物“不太可能占领这个星球，”她说，“但我敢打赌，它们至少可以在那里生活一段时间。”
火星动物园
数十亿年前，称为蓝藻的微小生物为地球上的生命铺平了道路。在植物出现很久之前，蓝藻就作为光合作用的副产品泵出氧气。
对罗斯柴尔德来说，我们富含氧气的空气是生命作为一项技术有多么令人印象深刻的完美例子——以及它在我们地球以外拥有多少服务于我们的潜力。
宇航员还可以利用蓝藻在火星上制造有用的材料，并支持其他有价值的微生物和植物。我们已经依赖微生物为我们提供葡萄酒、奶酪和酸奶等美味佳肴，以及重要的服务。“它们帮助我们生产食物，生产药物，帮助我们回收废物，”科克尔说。“所有这些有用的好处在火星上都会存在，就像在地球上一样。”
利用微生物在火星上制造商品将减少我们需要从地球运送的质量。逃离地球引力是极其昂贵的。仅仅发射一罐可乐就要花费10,000美元。而且这仅仅是在轨道上，罗斯柴尔德说——“你甚至还没到达火星”。
然而，微生物的重量很轻，更容易带到火星。“然后它们会增殖，依靠当地资源生存，就像地球上的植物和藻类一样利用太阳能，”罗斯柴尔德说。这些微生物可以利用火星上已有的水、矿物质和大气气体。“然后你可以利用蓝藻产生的材料，开始制造从塑料到栖息地的一切。”
某些微生物可以被用于制造食物、氧气或燃料，或者回收废物为植物和人类提供营养。微生物还可以帮助分解岩石并提取有用的金属（在地球上，“生物采矿”已用于开采黄金和铜）。当与正确的成分混合时，其他微生物可以将火星尘埃颗粒粘合在一起，制造砖块用于建造房屋。
如果宇航员需要保留火星土壤进行园艺，微生物将特别有用。在封闭环境中，植物必须免受辐射，并提供水源和营养液或肥沃的土壤。“微生物可以将火星上可用的元素转化为植物可以使用的形式，”韦尔瑟说。
宇航员可以种植植物作为食物和氧气——同时也是对无尽红色景象的一种慰藉。“在国际空间站上种植植物对人们来说有巨大的心理益处，”科克尔说。“它让人们有所寄托。”
动物占用大量空间和资源，因此宇航员不太可能在早期任务中携带它们。但像蚕、鱼和贝类这样的小型动物最终可能会被送往火星。
培育更优秀的微生物
我们带去的任何植物或微生物都不必生活在严酷的火星表面。宇航员将需要住所来抵御火星寒冷、干燥、辐射强、低压的环境，微生物和植物也将同样受到保护。
但对宇航员赖以生存的微生物进行基因工程改造，使其比在地球上更强韧，将会有优势。一方面，这会更安全；如果发生意外，设备故障，微生物最终可能会面临极端条件。此外，强韧的微生物更易于安置。“它们越是适应接近火星的条件，你就越不需要提供庇护所，也越不需要重现地球环境，”韦尔瑟说。
此外，微生物可以被工程化，使其在执行任务时更有效，或扮演全新的角色。“你可以开始将大自然视为一个巨大的基因硬件商店，你从中挑选东西，然后放入你的小型生产生物体中，”罗斯柴尔德说。她正在探索如何将工程微生物用作火星生物打印机的“墨水”。这将使宇航员能够生产定制工具、智能织物，甚至替换器官。
“你不会把一片棉田、树木或羊群带到火星，”她说。但你可以将它们的功能转移到更便携的生物体中，比如酵母或细菌。
地球上的一个例子是抗疟疾药物青蒿素。青蒿素来源于黄花蒿，但也可以通过工程酵母来生产。轮胎制造商和生物技术公司也在努力利用酵母生产橡胶，而不是从树上获取。
目前，罗斯柴尔德的目光集中在角蛋白上，这是一种存在于羽毛、指甲、头发和皮肤中的蛋白质。微生物可以被工程化以生产角蛋白，并以预定的形状进行打印。“想象一下，你拥有一整张这种非常坚固、轻便且柔韧的材料，”她说。
我们所有利用微生物帮助宇航员生存的尝试，都可能为地球上的所有人带来进步。“绝对没有理由这些东西不能在地球上使用，”罗斯柴尔德说。
也许有一天，微生物甚至可以帮助我们地球化火星表面，通过生产氧气和改造土壤。这对火星表面的生命意味着什么，这是一个悬而未决的问题（特别是考虑到火星的低重力可能对树木和人类等大型生物构成问题）。
“我不想让人们产生我们只是要把‘诺亚方舟’送到火星的印象，”罗斯柴尔德说。她说，直到我们改造了大气层，使其足够浓厚以维持液态水和更高的温度，我们才能谈论在没有保护的情况下将动物送往火星。
但这一切都还需要很多很多年。将微生物作为生命支持系统带到火星，是首要的、更易实现的目标。
我们如何实现这一目标？
要实现这一目标，第一步是继续调查地球上生活在极端环境（如沙漠、深海热泉和北极冰川）中的微生物。
宇宙生物学家在与火星最相似的地球栖息地中寻找微生物，以探索当地生命可能如何在红色星球上生存。这些考察还可以揭示地球微生物在被带到火星时可以利用的适应性。
“你会选择已有的微生物，看看它们的极限在哪里，以及它们有多大用处，”科克尔说。“一旦你知道了这一点，你就能更好地了解你需要尝试做什么来改进它们。”
科克尔和他的同事将岩石栖息的微生物送往近地轨道，以观察它们在航天器外的表现。它们如何生存。在地球上，特殊的模拟舱也可用于模拟火星条件，包括温度、压力、干燥度和辐射。
一旦微生物的坚韧性得到确认（或增强），科学家们就必须找出如何利用占用最少质量和能源的工具和封闭装置来让它们工作。一个正在进行的项目是欧洲空间局的微型生态生命支持系统（MELiSSA），它将利用细菌群落来分解和回收人类废物和不可食用的植物部分。
科学家们还在考虑宇航员在火星基地实际使用这些工具时会是什么样子。韦尔瑟最近从夏威夷莫纳罗亚火山的一个圆顶中走出，此前他与另外五名科学家一起在那里隔离了一年。HI-SEAS实验让他有机会利用蓝藻来帮助种植植物。“让我最有感触的是处理……非常有限的资源，如电力、水、空间、时间、能源，以及所有这些，”他说。
随着NASA计划在2030年代进行载人火星轨道任务，宇宙生物学家正致力于寻找和准备我们的微生物伴侣，为未来红色星球上的生命做好准备。科克尔说，我们一直在不断了解这些微生物以及如何更好地利用它们。“我认为当人们最终前往火星时，它们将为人类探索做好准备。”
