别那么乐观：人类或许永远都无法殖民火星
很多人对以下这件事感到理所当然：人类将在不远的将来，在火星上建立起欣欣向荣的，长期存在的定居点。但是在某种程度上，这种观点可能过于乐观了，它低估了定居火星可能将要面临的挑战和困难。除非我们极大地调整我们的大脑和身体去适应火星的极端环境，否则这颗红色星球将永远不适宜我们定居。
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▲好奇号火星车拍摄的火星风景照
没错，我们常听科学家们说，火星是整个太阳系中和地球最相似的星球，但是这个说法其实太过于简单化了。
火星，并不友好
火星很冷，一片死寂，其大气比地球稀薄100倍，而仅存的少量大气的主要成分则几乎全部都是二氧化碳，有害的太阳辐射几乎可以直达火星表面，毫无阻拦。由于大气稀薄，火星表面的大气压强很低，大约600帕斯卡，仅相当于地球海平面标准大气压的0.6%左右。如果没有宇航服的保护，在这样低的气压环境里，你将受到严重伤害：你的肺部将炸裂，皮肤浮肿，身体组织肿胀，最终死亡。稀薄的大气同时也意味着其无法很好的留存热量。火星表面的平均温度是摄氏零下63度，最低甚至可以降到摄氏零下126度。相比之下，地球上的最低温记录是1982年6月23日在南极的苏联考察站“东方站”录得的，数值是摄氏零下89度。一旦气温降低到零下40度以下，未能良好防护的人体在5~7分钟内就会遭受严重低温伤害。
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火星的质量也远小于很多人的认知。火星地表的引力大约是地球的37.5%，这就意味着在地球上体重大约180磅（大约163斤）的人，到了火星上体重将变为68磅（61斤）。可能对于很多梦想减重的人士，这听起来很不错。但长期而言，这样的低重力环境对于人体健康将产生严重的不利后果，甚至可能对人类的生殖能力产生负面影响。
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但即便有这样或那样的问题，但似乎主流观点一直认为人类很快就将可以在火星上建立起殖民地。SpaceX创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）在憧憬着2050年代在火星上建立人类殖民地的设想，英国威斯敏斯特大学天体生物学家莱维斯·达尼尔（Lewis Darnell）则给出一个相对较为保守的推算，他认为，再过50~100年，可能将有相当数量的人类，在火星上建立起某种具有自我维持能力的定居点。中东富裕的石油国家阿联酋此前已经宣布，该国希望在大约公元2117年，在火星上建立起一座拥有大约60万人口的火星城市。
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对火星进行地球化改造，可行吗？
遗憾的是，以上所提到的这些目前来看还仅仅都是科学幻想。当然毫无疑问的一点是，最终人类一定可以踏足火星，甚至在那里建立起一个或多个基地，但如果要说我们将会在火星上建立起可以容纳成百上千人居住的真正的定居点，那至少在目前看来，是对这样一种前景将可能面对的巨大挑战的严重低估和视而不见。
过于乐观
宇航工程学先驱路易斯·弗里德曼（Louis Friedman）是美国行星学会的联合创始人，也是《人类的太空飞行：从火星到群星》一书的作者。他将当前这种对于建设火星基地的过分乐观情绪类比成上世纪1940~1950年代的那种“缺乏基础”的盲目乐观。
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他说：“当时，很多主流科学杂志，《大众机械》和《大众科学》等等，都曾经用封面文章的形式报道过建设在洋底或者南极的人类定居点。”他指出，这给人的感觉似乎是，人类将可以在这个行星上的任何一个角落生存和定居，而不论这里的环境条件有多么充满挑战或者不适宜生存。他说：“但最终，这些事情全都没有发生。我们偶尔会访问南极，我们甚至在南极大陆上设置了一些考察站，但也仅此而已。洋底的情况更加糟糕，人类在那里开展的活动非常非常有限。”可见，不论是在南极还是洋底，人类的所谓“定居点”建设都几乎是不存在的——即便南极和洋底相比火星要容易抵达得多。
在人类登月成功之后，弗里德曼和同事们一度对于未来变得极为乐观，他们当时相信人类将可以做越来越多的事情，比如在月球或火星上建设人类殖民地。但事实是，不管哪一项载人航天计划，不论是阿波罗计划，航天飞机计划还是国际空间站计划，都没能为未来殖民火星建立起必要的技术基础，比如建造必要的基础设施，寻找安全而可行的就地获取食物和水的方式，抵消长期太空飞行面临的强辐射和低重力环境对于人类的影响等等。和其他领域不同，他认为，载人航天领域的技术进步似乎“停滞”了。弗里德曼认为，我们未来将有可能在火星上建立基地，但是他认为“历史的经验”告诉我们，在可预见的将来，在火星上建设人类殖民地的前景并不乐观。
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▲美国凤凰号探测器在火星靠近北极地区发掘出的水冰物质
美国佛罗里大学神经科学家蕾切尔·赛德勒（Rachael Seidler）表示，很多人显然没有完全理解在火星上维持长期性殖民地的难度究竟有多大。
赛德勒是机器学习，以及微重力环境对宇航员身体影响方面的专家，她表示：“人们倾向于对于殖民火星抱持乐观心态，但这更多是一种空头支票，难以兑现。”她说：“很多人抱有乐观心态，可能仅仅是认为我们不应当基于一些现实的理由限制自己，但我同意，这其中可能还有很多生理上的潜在负面后果。”
赛德勒表示，NASA和其他航天机构目前正在非常努力地开发并测试各种措施，用于应对未来在火星上生活可能会面临的各种负面影响。比如说，在国际空间站上工作的宇航员会遭遇严重的肌肉萎缩和骨质流失问题，他们就尝试通过在空间站上进行体育锻炼和力量训练来缓解这一问题。不管是在国际空间站上长期生活导致的健康问题，还是在火星的低重力环境下长期生活可能产生的影响，赛德勒认为，我们都还远远未到能够从容应对的地步。
在他的新书《关于未来：人类的前景》一书中，宇宙学家，天体物理学家马丁·里斯（Martin Rees）针对人类殖民火星的前景，做了简单明了地阐释：
“到公元2100年，人类中那些喜欢冒险的人们可能已经建立起一些独立于地球的‘基地’，比如在火星上，或者在小行星上。SpaceX公司的创始人埃隆·马斯克（1971年出生）曾经表示，他想要死在火星上——只要不是因为死于撞击就行。但千万不要就此就认为从地球向外的大规模移民将很快到来。在这个问题上，我强烈不同意马斯克，以及我在剑桥大学的同事史蒂芬·霍金的那种乐观主义观点，他们认为人类将可以很快在火星上建立起大规模的人类定居点。认为火星可以提供逃避地球上存在的各种问题的想法，是一种危险的幻觉。”我们必须在地球上解决这些问题。应对气候变化听上去是一项令人生畏的任务，但相比将火星进行地球化改造，这简直就成了小儿科游戏。在整个太阳系中，你很难找到类似地球南极，或者珠峰峰顶那样“温和宜人”的环境。对于具有“避险”本能的普通人来说，目前并不存在“第二个地球”。
巨大的环境挑战
关于“地球化改造”，这背后是一个巨大的系统工程。所谓“地球化”（terraforming），是指通过规模巨大的地质工程改造，将一颗行星改造成适宜人类以及其他生命生存的环境。对于火星而言，这将意味着向其大气层中输入大量氧气和其他气体，以提升其温度和气压水平，当然还有其他很多需要干预的地方。通常，关于殖民火星，很多人会说，这代表着改造火星，进行“地球化”的第一步。这种想法在很多科幻小说中出现，比如斯坦利·罗宾森（Kim Stanley Robinson）著名的《火星三部曲》。但弗里德曼提醒，要想进行行星尺度上的环境改造，至少需要上千年的时间。
布朗尼·霍根（Briony Horgan）是美国普渡大学行星科学助理教授，她认为对火星进行“地球化改造”完全是白日做梦，这是一项远远超出现有和可预见未来技术水平的幻想。
而谈论对火星进行地球化改造，我们还必须考虑其他因素，比如要想进行如此规模的工程，我们拥有足够的资源进行这样注定要持续几代人的巨大工程吗？在2018年发表在《自然》杂志上的一篇论文里，美国科罗拉多大学的布鲁斯·雅科斯基（Bruce Jakosky）以及克里斯托佛·爱德华兹（Christopher Edwards）曾经测算过，要想让火星的大气压恢复到人类可以在其地表生活而不需穿着专门的增压宇航服，我们将需要往火星大气层中新注入多少数量的二氧化碳气体，当然这样做也将提升火星地表温度，从而让液态水得以在火星地表存在。他们的研究结论是，火星自身储备的二氧化碳气体可能不够用，未来如果要进行“地球化”改造，那么我们将可能需要通过某种方式从外部向火星运输额外的大量气体。
这里需要澄清的一点是：并不是说行星改造完全不可能，而是说，改造火星环境所需要的时间尺度和先进技术，在可预见的将来难以达到。
而直到我们未来真正做到对火星环境的改造之前，我们将不得不面对一个环境恶劣的火星。这就意味着强烈的辐射，仅这一点就将对最早抵达那里的先驱者们带来严重的健康威胁。
霍根表示，要想殖民火星，我们面临很多巨大的挑战，强辐射环境只是其中之一。她认为，这一点是很多人，包括SpaceX内部的很多人，都没有完全想清楚的一点。生活在火星的地下或者建设具有辐射屏蔽作用的基地可能可以作为一个选项，但我们仍然预期，随着在火星上生活时间的延长，癌症发病率将出现几何级数的上升。
她说：“在辐射防护方面，其实你能做的是有限的。”她指出：“我们可以定量评估比如说一年内的剂量和风险，但是对于非常长期的情况，这样的评估将很难开展。问题是，你没办法永远呆在地下或者基地防护间内，如果你要执行某些任务需要出去，你就将不得不面临风险。”
霍根提到，最近有一篇发表在《自然》杂志上的论文指出，火星表面的辐射环境远比我们原先设想的更加糟糕，并认为“我们目前并没有长期辐射防护的解决方案，因此要想长期居留火星，除非你准备好承受辐射相关疾病的风险。“取决于你暴露于辐射当中的程度不同，过量辐射可以造成皮肤灼伤，辐射病，癌症，以及各类心血管疾病。
弗里德曼原则上也认同这样的观点，即我们可以居住到火星地下，或者建造具有辐射防护功能的设施。或许辐射的问题可以解决，但他仍然认为这个问题极为艰巨，甚至在某些方面是“反人类”的。
我们完全没有准备好
生活在未来所谓火星殖民地的人们将是很痛苦的，因为他们将不得不一直生活在采用人工光源的地下设施内，不见天日，或者生活在具有厚厚防护层的地面基地中，必须最大限度减少外出时间。
长期生活在这样的封闭环境中，少有机会外出活动，也将导致一些其他的健康问题，比如沮丧，缺乏外界刺激导致的反应迟钝和注意力无法集中，视力减退，高血压等等。并且和国际空间站一样，在火星上的定居点将是一个“微生物沙漠”，只存在少量细菌，这对于维持人体体内的微生物菌落平衡实际上并不有利。
另一个问题与动机有关。正如弗里德曼早先所指出的那样，我们并没有看到人类长期在南极或者海底居住，那么我们究竟有什么理由预期会有一大批人愿意去到火星那样远比南极或者海底更加不友好的环境中去生活呢？相比在地球上的生活，去火星显然是并不是一个好选择，至少在生活水平上绝对会出现严重下降。
还有，人类是否真的可以在火星上完成繁衍到目前为止还是一个开放性问题。抛却火星上强辐射环境对于人类胚胎可能产生的影响，怀孕期间在如此低重力环境下生活可能产生什么影响？我们目前也还没有把握。我们不知道精子和卵子在火星环境中将会有何影响，不知道受精过程在那样的环境下会否出现任何改变。最重要的是，我们不知道低重力环境将会对孕妇和胚胎产生何种影响。
赛德勒是人类生理学和运动学方面的专家，她表示，人类在火星环境下妊娠，目前还是一个棘手的未知问题。由于低重力环境，发育中的胚胎在子宫里的位置往往偏高，这可能对孕妇的横膈膜产生压迫，从而引发孕妇呼吸困难。低重力环境也可能导致身体对正常妊娠的过程产生“困惑”，从而导致一些关键阶段出现异常，比如孕39周的预产。在地球上，骨骼，肌肉，循环系统和其他人体生理系统都是在对抗重力的环境下发育起来的。或许到了火星上，人体机能会逐渐适应新的重力环境，但是我们的身体是否真的可以做到，我们目前其实是不确定的。人造子宫或许是一个可能的选项，但再一次的，这并非我们目前的技术能够触及的领域，它也一样难以解决低重力环境对于胚胎发育的影响——除非这种人造子宫被专门放置入人工重力环境之中。
有一点可以被强调，那就是我们应该严禁在火星上繁殖，直到我们对这一问题的科学认识更加深入。但是火星距离地球最近的时候都超过5500万公里，在这样一个远在天际的地方，能否有效实施这样的禁令本身就是一个问题。我们只能指望届时的火星社会不至于倒退到完全的无政府主义，以及对于公共安全和既有伦理标准的全面无视。
前文已经提到，在低重力环境下生活，将会对健康产生影响。在太空执行长期任务的宇航员，比如那些在太空执行任务超过一年的宇航员的身上，就已经表现出很多症状，包括骨质流失和肌肉萎缩，心血管疾病，免疫系统和代谢紊乱，视力模糊，平衡和感知障碍等等。这样的问题在火星上会不会出现，如何应对？我们不知道。或许在火星上长期生活，比如10年20年之后，类似的低重力环境引发的问题都会一一出现。
赛德勒指出：“由于火星的低重力环境，在火星上生活可能产生一些生理的或神经方面的问题。”
她说：“不清楚这些改变在某个时间点会趋于稳定而不再继续恶化。我们的工作显示，在微重力环境下，人的大脑在头颅中会出现向上位移，一些大脑区域的灰质减少，但另一些区域则会增加，某些区域的白质也出现了结构改变，另外颅脑内的液体会向头颅顶部集中。”
赛德勒表示，这些症状中的一部分与在微重力环境下生活的时间长短有关，从两周到六个月，但目前缺乏更长停留时间情况下的观察数据。她说：“这些症状中的一部分可能最终会到达极限并趋于稳定，比如大脑水肿问题，毕竟颅脑能够容纳的液体体积有限。另外，人的神经系统也具有很强的适应能力，它可以‘学习’如何在微重力环境下控制身体运动，即便神经信号的输入可能会出现相应变化。但再一次的，需要指出的是我们目前还并不十分确定这样的极限在何处。”
火星的重力环境虽然较低，但毕竟不同于完全的失重，因此与失重带来的影响相比，症状理论上来说应该不会那么严重，但是不管是太空环境还是火星表面，神经系统感受到的信号输入都会不同于地球环境下的情况。这可能导致平衡和运动功能出现问题，但研究人员认为，经过一段时间之后，宇航员应该可以很好的适应新的环境。
赛德勒表示：“关于在微重力和重力减低环境下，人的生理将受到何种影响，目前还仍然没有得到充分研究。我们目前还不清楚其安全性和健康风险，我们还需要做更多工作。”
经过长期太空停留的宇航员，在返回地球之后的最初几个星期里，会经历一段痛苦的时期，出现包括恶心反胃，视力模糊和身体虚弱等状况。有一些宇航员，比如NASA的宇航员斯科特·凯利（Scott Kelly），他在太空执行了长达一年的长期任务，他感觉自己再也回不到过去的那个自己了。他返回地面之后，发现自己在认知测试中的分数下降了，并且基因也出现了微小变化。NASA的研究显示，从太空返回之后所需的恢复时间与其在太空之中执行任务的停留时长成正比例关系——执行任务的时间越长，返回地面之后所需的恢复时间也越长。遗憾的是我们目前还没有超过一年或更久的微重力环境下生活的详细监测数据，因此关于在火星上长期居住，在那样的重力减低环境下生活比如超过10年，究竟会有什么影响呢？目前这仍然是一个开放性问题。
新的智慧生命物种诞生？
根据以上这些线索，我们不难想象，适应火星的重力减低环境对于初来火星的访客而言将是一项巨大挑战，但是反过来，如果我们的宇航员们经过努力，设法适应了那里的环境，那么这个时候如果要让他们返回地球，又将成为一项艰难的任务。他们的孩子如果在火星上出生（能否做到在火星上生育目前还无法确定），那么这些孩子长大了要想回到地球，对于他们而言也将是难以完成的挑战——他们已经难以适应地球的环境了。
除此之外，还必须顾虑其他的健康问题，其他很多地方都可能出现问题。我们对于火星环境究竟会对我们的大脑，身体和情绪能力产生何种影响知之甚少，意外状况随时可能出现。相比在地球上，在火星生活的人的寿命可能会大大缩短，但是再一次的，关于这一点我们还无法断言，一切都只是猜测。
最终，最初的定居者在火星上可能将陷入每天都在为生存下去而努力的境地。而食物和饮用水的匮乏也可能进一步限制我们所谓的“殖民地”维持和扩张的能力。
霍根表示：“建立起维持生存所需的稳定资源供应是可能做到的，但不会是一件轻松的事情。我们的居住地安必须靠近水源或者水冰储存地，但要做到这一点，我们的定居点就必须非常靠近火星北极地区，但问题在于，你越是往北，生存环境就会愈发恶劣。那里的冬天更冷，阳光也更少。”
最初的定居者们还必须设法解决食物来源问题，他们必须找到在火星上栽培农作物的方法。火星上的土是有毒的，含有大量危险的高氯酸盐物质，因而也是需要避开的。为了培养农作物，定居者们可能需要建设地下水培温室。这将需要特制的照明，专门为火星环境设计的转基因农作物，还有大量的水，其中最后一项在火星上是非常珍贵，难以获取的资源。
霍根表示：“人们显然没有意识到这其中有多复杂。要想建立起我们心目当中相对安全稳定的殖民地，是非常困难的。”
从技术上来说，解决这些问题的途径或许是存在的，比如我们可以研发专门针对火星环境下可能出现的各种疾病的药物。但是这需要时间。甚至，即便我们能够开发出这样的药物和疗法，其规模也注定是小范围使用的。一个科研基地还可以，但如果是变成大量人口入住的定居点，那里的很多病人将需要持续的照料和治疗，这将成为不可承受之重。
正如马丁·里斯（Martin Rees）所指出的那样，火星和其他太空环境“天然地不适宜人类生存”。但是正如他在自己的书中写到的那样：“我们，以及我们的后代子孙，都应当为今日的先驱者们欢呼，因他们将开辟一个后人类时代的未来，他们将会决定在公元22世纪甚至更久远的未来将会发生什么。”
里斯提到的“后人类时代的未来”，是指一种设想中的未来情形，那时候的人类经过大量生物学和机械神经学改造，已经难以被归类为人类了，因此称之为“后人类时代”。因此，尽管从今天的眼光看，火星是一个难以接近，难以在上面生存的地方，但是对于未来的那些有勇气，也愿意让自己的身体接受彻底改造以适应火星特殊环境的人来说，他们眼中的火星就和我们眼中看到的很不一样了。
其中一种可能选项就是彻底改变人类的生理学特征，专门去适应火星上的特殊生活环境。正如里斯在自己的书《论未来》中所提到的那样：
“那么，由于在适应火星这样的新栖息地方面遭遇到的适应性问题，那些先驱者们比起我们这些居住在地球上的人们，将有更强的动机去改变自己的身体，重新设计自己以适应全新的生存环境。”
这些人将得到人类在未来数十年间发展起来的先进基因工程和机械工程的研究成果。这些技术在地球上预计将受到严格管控，但是在火星上，这些技术或许将可以被使用。我们只能祝愿这些人和他们的后代好运，希望他们可以适应火星的特殊环境。但这很有可能是一个全新智慧物种诞生的开端。基因工程加上人机对接技术将逐渐导致人类逐渐偏离我们传统意义上的理解，甚至最终出现完全摆脱有物质构成的身体，而成为“无机智慧生命”。因此，是那些冒着生命危险的宇航先驱者们，而不是我们这些舒舒服服坐在电脑跟前的家伙们，将开拓未来人类的全新疆界。
