螺旋藻（Anabaena）——有望成为太空探索的生物底盘

来自简单细胞的生命维持

将人类长期送往月球和火星，不仅需要火箭和金属。航天员需要呼吸的空气、可饮用的水、食物、燃料和建筑材料——理想情况下这些都应在当地制造，而不是以高昂成本从地球运送来。本文综述探讨了一种名为螺旋藻（Anabaena）的微小光合微生物，如何可能成为未来太空定居点的活体支柱，将阳光、二氧化碳和当地岩石转化为氧气、肥料和有用产品。

具有特殊功能的坚韧微生物

螺旋藻是一种丝状蓝藻，呈细胞链状。它具有三种主要细胞类型并分工合作。普通的营养细胞捕获阳光并从空气中固定二氧化碳，在生长过程中释放氧气。称为异型胞（heterocysts）的专门细胞创造出低氧微环境，使空气中的氮被转化为生物可利用的肥料形式。第三类为休眠的抵抗型细胞（akinetes），这种坚韧状态能在干燥、饥饿和极端温度下存活。综合这些功能，螺旋藻及其近亲诺斯托克（Nostoc）能在地球上苛刻的湖泊、土壤和沙漠中茁壮生长，这提示它们也可能应对太空和外星环境的严苛条件。

用人工智能挖掘数十年的研究

由于关于螺旋藻的研究数量庞大，作者使用了一套名为NEKO的人工智能管线来组织这些分散的知识。他们收集了约2000篇科学摘要并构建了一个“知识图谱”，图中每个节点代表一篇论文或一个关键术语，连线显示主题之间的关联。这张地图揭示了研究的主要集群：该生物的基础生物学、耐受压力的能力及其众多实际应用，从农业和水体净化到新兴的太空研究领域。通过突出经常同时出现的概念——例如固氮、生物燃料和微重力——该网络帮助科学家快速识别螺旋藻已被充分理解的领域以及仍缺乏太空导向实验的新问题。

把火星资源变成空气、食物和燃料

该综述解释了螺旋藻如何成为“生物原位资源利用（Bio-ISRU）”在月球或火星上的核心。在这一设想中，装有这些微生物的透明生物反应器放置在或靠近当地风化层（岩土）并接受阳光照射。这些丝状体将利用光将火星的大气二氧化碳转化为氧气和生物质，并从大气中固定氮以生产天然肥料。基于火星土壤模拟物的模型和实验显示，某些螺旋藻菌株能在低压、以二氧化碳和氮气为主的气氛中生长，并能从岩石中提取营养物质，即使存在有毒的高氯酸盐。所得生物质既可用作作物、鱼类或昆虫的饲料，也可加工成燃料、可生物降解塑料或医用活性化合物——大大减少对来自地球补给火箭的依赖。

为太空条件具备的内在坚韧性

实验室和航天飞行试验表明，螺旋藻及相关菌株能耐受许多预期的地球以外胁迫。在模拟微重力条件下，它们会启动强烈的抗氧化反应，以应对有害的活性分子。干燥的诺斯托克细胞在国际空间站外部暴露多年的试验中存活下来，经历了宽幅的温度波动、真空和强辐射，并在类似火星的土壤上生长了数月。这些研究表明，干燥的丝状体可以无需冷藏被运送到太空，抵达后重新水化仍能发挥功能。与此同时，作者也警告某些菌株可能产生毒素，因此任何太空系统必须严格筛选菌株、监测有害分子，并为工作人员和封闭栖息地设置防护措施。

设计未来的生命维持闭环

展望未来，作者概述了螺旋藻如何融入不断循环空气、水和养分的闭环生命维持系统。在一个设想中，螺旋藻生物反应器位于系统中心：阳光以及可能的额外简单碳源（如乙酸）为微生物提供能量，微生物则向作物和其他生物体供应氧气、肥料和生物质。人类废物流和不可食用的植物残渣通过消化单元循环回流，将水和养分返回反应器。计算机模型显示，这类系统可针对火星重力、稀薄大气和多尘的天空进行调优，基因组尺度的代谢模型有助于识别在低光和有限氮条件下表现最佳的螺旋藻菌株与生长方式（纯光驱动或与简单有机物混合）。文章强调，在这些生物技术闭环能可靠支持人类前哨之前，仍需更好的遗传工具、共培养设计和经济性分析。

这为何对未来探险者重要

简单来说，这篇综述认为像螺旋藻这样的微小光合“活体工厂”有朝一日可以帮助航天员在其他星球呼吸、饮水、进食、建造甚至制造药品。它能捕获阳光、自给氮肥、耐受极端环境并可被基因调控的能力，使其成为太空农场和生物反应器的有力候选者。尽管仍需在真实太空环境中进行更多测试——尤其是为管理毒素、辐射和低重力设定对策——本文汇总的工作表明，用简单微生物将外星的空气和岩石转化为人类必需品并非科幻，而是一个正在形成的工程挑战。

引用: Muddana, C., Desai, G.M., Wangikar, P.P. et al. Anabaena—a promising chassis for space exploration. npj Microgravity 12, 27 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00568-2

关键词: 螺旋藻（Anabaena）, 太空生物制造, 生物再生生命维持, 原位资源利用, 蓝藻