在降低水活性条件下火星风化层模拟物中微生物的生长

为什么干燥的火星土壤仍可能容纳生命

当我们想象火星上的生命时，经常会联想到奔流的河流或埋藏的海洋。但今天的红色星球表面极为干燥，液态水基本上不可能存在。这项研究提出了一个看似简单但影响重大的问题：在只有空气中水分的情况下，坚韧的微生物是否仍能在类火星土壤中缓慢生长？通过在真实感较强的火星土壤模拟物上测试地球沙漠微生物，研究人员探查了生命维持所需的最低水量——以及这对在火星上寻找生命和防止人类污染的意义。

在人造火星土壤中测试生命

为此，团队使用了一种商业化土壤，称为莫哈维火星模拟物2（MMS-2）。它由粉碎的玄武岩石混合少量硫酸钙和其他氧化物制成，以模拟火星风化层。这种模拟物本身就含有天然的沙漠微生物群落。研究人员首先对土壤加热，以去除可检测的DNA并将大多数细胞推入生存模式，类似于在严酷行星环境中可能发生的情况。然后他们将1克土壤放入一种特殊的双腔培养皿：一侧放土壤，另一侧放纯水或含盐溶液，用以控制密封空气空间中水蒸气的量。数周内，只有水蒸气——而非液态水——能到达土壤，模拟真实火星地表与其稀薄干燥大气的相互作用。

通过称量遗传物质来测量生长

标准微生物学工具常依赖于浑浊的液体培养或琼脂平板上的菌落，这些方法不适用于不透明的岩石和土壤。相反，团队通过直接从土壤中提取并称量总DNA质量来追踪生长。他们先用众所周知的细菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在液体中培养来验证这种方法。DNA测量与基于光密度和菌落计数的传统生长曲线高度吻合，证明DNA质量增加可以可靠地代表微生物复制。有了这一信心，他们回到类火星土壤，跟踪在不同干燥度（即水活性）下DNA水平随时间的变化。

将微生物推向干燥极限

水活性（aw）描述了可供生命使用的“自由”水的多少，范围从0（极度干燥）到1（纯液态水）。大多数地球微生物在aw 0.9之上才能良好复制，而在特殊含糖液体中已证实的最低生命限制约为0.585。本研究在30°C和地球类似气压下，将火星模拟物在aw 1.0、0.75、0.65、0.34及极度干燥的0.12条件下孵育。在较高水活性时，土壤中的DNA迅速增加，在15–20天内达到峰值，然后随着养分耗尽或细胞死亡而下降。随着条件变得更干，生长显著放缓：在aw 0.34时约需30天才能达到一个小得多的DNA峰值，约为aw 1.0时的三分之一左右。在aw 0.12时，60天内DNA始终未超过可检测水平。统计检验确认aw 0.34处观察到的适度DNA增加是真实的，而非仅为实验噪声。

盐类、吸湿土壤与微小受压细胞

团队还探究了向模拟物中加入硫酸镁这一强吸水盐时的情况。仅加入5%（按重量计）该盐，土壤就能从空气中吸收相当于自身可达一半重量的水并保持肉眼可见的潮湿，水活性稳定在约aw 0.96。令人意外的是，即使在这种更湿润的状态下，DNA达到峰值也大约需要40–45天，且总DNA低于纯模拟物在aw 1.0时的水平。经染色的显微图像显示，随着水活性降低，细胞数量减少且常常更小，尤其是在aw 0.34和富含硫酸镁的土壤中。这表明，不仅水量，特定盐类和土壤化学性质也强烈影响微生物在如此严酷、含盐且碱性的环境中生存和分裂的能力。

这对火星和我们意味着什么

该研究表明，天然存在于类岩石土壤中的沙漠微生物可以缓慢累积DNA，与有限生长一致，即便在大约aw 0.34这样远低于在简单实验室液体中确立的经典极限的干燥条件下。虽然这些实验在舒适的地球温度和压力下进行，但它们暗示在火星上寄居于岩石中的生命可能利用短暂的大气水分在微小受保护的生态位中维持存在。对行星科学家而言，这扩展了在干燥天体上被视为“适居”的条件范围，也加强了行星保护的重要性。如果我们的微生物能在如此干燥、类火星的湿度下存活并偶尔繁殖，那么未来的任务在我们有机会发现外星生命之前，必须谨慎设计以避免不慎将地球生命播入他星。

引用: Raghavendra, J.B., Zorzano, M. & Martin‑Torres, J. Growth of microorganisms in a Martian regolith simulant at reduced water activity. Sci Rep 16, 7499 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35595-2

关键词: 火星适居性, 水活性, 火星风化层模拟物, 沙漠微生物组, 天体生物学