人类已经证明了自己可以神奇地适应各种极端环境——我们轻松地适应了亚马孙热带雨林充满挑战的环境，也能够在格陵兰岛北部常年严寒的冰原上生活。尽管如此，我们依然会对需要随身携带呼吸设备并时刻监控氧气水平感到厌倦，也不想一直在火星极寒的气候中生活。所以我们很自然地开始将注意力放在改造火星气候条件上，将火星大气改造得适宜人类可以呼吸，并将火星地表温度升高。
许多科学家在对火星的进化历史以及自20世纪60年代以来众多火星探测器收集到的信息进行仔细研究之后，认为火星上曾经存在过流动的河流、湖泊以及至少一片海洋，那时火星气候湿润，而且有可能存在生命；但在此时此刻，这些研究结论似乎没有什么价值。
幸运的是，水、大气密度和气温这三者之间确实存在着相互联系。简而言之：如果火星地表的温度可以有所升高，一些现在是被冻住的气体就有可能释放出来，使大气密度得以提高，从而产生温室效应。这个过程循环持续，将使火星温度进一步升高，引起固态水融化，尤其是在靠近赤道地区的固态水。融化的水会四处流动。液态水（加上恰当的气温）将使火星居民们可以在温室之外进行植物种植。然后，这些植物将释放氧气，增加火星空气中的氧气浓度。和在地球上一样，火星上所有生命和生态环境所需的关键要素也是密不可分地联系在一起。
改变和重新建立火星环境的这个过程被称为“星球改造”（terraforming），本意为塑造地表环境。一个更准确的词语应该是“行星改造工程”（planetary engineering）。美国宇航局将之称为“行星生态综合改造”（planetary ecosynthisis）。尽管人们普遍认为“星球改造”一词是来自于众多科幻小说家，但天文学家卡尔·萨根在1961年就已经提出过将金星“改造”为适合人类居住环境的构想。
星球改造工程将需要耗费巨额资金，并且可能会花掉上千年时间的努力，才可能实现人类在火星行走时犹如徜徉在加拿大西海岸的风光里。但即使只是将火星上特定位置的温度提高几度，都可以使火星居民的生活比2027年第一个宇航员登陆时要舒服得多。火星室外生活的方式将在几个世纪内发生翻天覆地的变化。
星球改造的第一步是使火星变暖，目前已经存在几个关于使火星变暖的方案。在众多方法中，最酷也是最快的一种方式，是在火星地表安装很多巨大的镜子，通过将太阳光反射回地面使地表升温。这种方法在火星南极附近将特别有效，在那里，厚厚的干冰覆盖在固态水之上。然而，安装镜子这种使火星变暖的方案同时也是最昂贵、技术难度最大的一种。但这种方法一旦执行，可以在数年之内让火星地表出现流动的液态水（白天，在赤道附近）。用于反射太阳光的镜子将由聚酯类高分子薄膜制成，外面覆盖一层很薄的铝；这些镜子可灵活转动，就像太阳帆一样。镜子将会大得超乎想象——宽度达240千米。它们太重，不适合从地球运输，因此这些镜子将在火星上进行制造。另外一种可能是，回收货物补给飞船上的太阳帆，这些太阳帆制造于地球并随着宇宙飞船一路飞抵火星。太阳帆在货物飞船飞行过程中提供部分必要的推进力，一旦飞船进入火星轨道，太阳帆就可以被取下来并运送到合适的位置以向火星地面反射太阳光。镜子也可以是非常低科技含量的；它们可以被放置在特定的位置，然后，太阳光转化的能量将会让它们脱离地面，而火星引力又会对它们有反方向的作用力，并平衡向外脱离的力。最终它们会成为一种叫作“静星”（Statite）的卫星。
罗伯特·组布林比较推崇这种使火星变暖的方法，并且计算出一面宽240千米的镜子可以将火星南极区域的温度提高10℃。这样的温度提升将足以释放出大量的二氧化碳——一种强劲的温室气体。二氧化碳的释放将触发类似于“失控温室效应”的过程：气温升高使火星风化层中的固态水融化并进一步释放水蒸气——另一种强劲的温室气体。一个宽度近500千米的镜子将使温度提升的速度加倍。
另一种有一定可行性的使火星变暖的方案是到小行星带中放置一大块固态氨的凝结物。要想最终实现在火星上抛开特殊设备自由呼吸，火星大气中还需要含有一种缓冲气体。在地球上这种气体是氮气，占我们在地球所呼吸空气的78%。氨（NH3）由氮原子和氢原子所组成。如果一个带有大量固态氨的小行星被牵引与火星发生撞击，至少会产生两种效果：撞击产生大量的热量会使火星温度升高，并提升火星上温室气体的浓度。即使只是单纯的一颗体积巨大的小行星撞击火星，就可以使火星表面的温度提高3℃。不幸的是，撞击也会产生其他灾难性后果：有可能会引起类似“核冬天”的效应，大量尘埃被注入火星大气中，吸收太阳光的热量，从而将使火星降温而非升温，大大拖慢火星改造的时间进程。并且，氨具有腐蚀性，相对于二氧化碳，如果大气中存在大量的氨气，将对人体产生更加不利的影响。但最终，太阳光将会使氨气分解成氢气和氮气。一部分氢气会与火星风化层中的铁氧化物发生反应并产生水。同时，由于火星的引力很弱，一部分氢气则会逃逸到太空中。
还有一个非常不实际的使火星升温的方法，是发送一个机器人驾驶的宇宙飞船到一个类似于泰坦（Titan）的星球——土星的卫星之一，该星球富含碳氢化合物；并设法在泰坦流动的甲烷河流和海洋中吸取液态甲烷，然后运送到火星。如果类似于甲烷这样的碳氢化合物被释放到火星大气中，将产生水蒸气和二氧化碳这两种温室气体。
在地球上我们已经得到过教训，一些含氟气体比普通的二氧化碳和水蒸气具有更强的温室效应。氟氯烃类化合物，即CFCs，就是一个例子。在地球上，它们就被证明是极强的温室气体，由于会对臭氧层造成破坏，已经在全球范围内被禁止用于喷雾器、冰箱以及空调生产。而到了火星上，它们也许正是解决问题的方法。科学家认为，在地球上的工厂中制造全氟碳化物（PFCs）所需的所有因素，在火星上也可以满足。我们建立这类工厂，生产这类支持我们冰箱、空调工作的气体已经有数10年之久，对于相关技术已经十分熟悉。但要制造足以影响整个火星大气环境的全氟碳化物，将需要能够容纳几千名工人同时工作的巨型工厂，这在人类建立起第一座火星城市之前恐怕难以实现。
成本最低的一种使火星变暖的方式可能是利用特殊的细菌将氮和水转化成氨气，或者将水和二氧化碳转化成甲烷。这有点像一个悖论：为了在火星上得到液态水，我们需要使火星变暖；而没有液态水，我们又无法使火星变暖。这个问题可以留给像克莱格·文特尔（J. Crag Venter）这样的科学家，克莱格·文特尔是首批绘制人类基因图谱的科学家之一。文特尔早已开始尝试改造现有的微生物。比如，石油公司可以将经过生物工程改造的细菌用在老石油矿井中，这些矿井可能还含有20%左右的原油储量，但很难开采。特定的细菌种类可以寄居在石油中，消耗石油而排出代谢废弃物甲烷——天然气的主要成分。
我们处于为了特殊用途而培育新品种细菌研究的尖端。如果真的培育出能够在火星风化层里的矿床上生活并释放全氟碳化物的细菌种类，火星可以在很短的时间内变成一个更暖和的地方。即使只利用现有的细菌种类生成氨气和甲烷，火星也可以在几十年的时间里变得温暖得多。甲烷和氨气同时还可以帮助人类隔离太阳和宇宙辐射。
一个运用新品种细菌方案的问题是，它们一旦被使用，可能就很难被停止。20世纪30年代，美国农民使用葛藤种子以防治土壤流失。葛藤并非美国本土植物，已经被鉴定为外来入侵物种。至今，葛藤已经蔓延覆盖了美国南部的很多地方。
这些方案，不管是让小行星撞击火星表面，还是利用经过基因改造的细菌排放温室气体，仍然存在各种各样的问题。最简单易行的一种方法——至少在星球改造工程的初期——仍然是利用太阳帆使火星两极升温。利用太阳帆的主要问题是成本，但这种方法的好处是不需要用到我们至今尚未掌握的技术。
一旦火星升温到足够的温度使水开始流动，我们应该就可以向火星移植一些顽强的地球植物，在那里，它们将很容易在富含二氧化碳的大气中生长，并迅速繁殖。随着植物覆盖范围的扩大，将产生数量可观的氧气。但氧气并非温室气体，相反，可能会有降低火星气温的作用。由于火星大气稀薄，火星引力场较弱，并且我们引入到火星的温室气体最终都会被分解，因此，持续地补充和改造火星大气是很有必要的。正如在地球上我们要栽种植物屏障来过滤和净化水源，火星上的居民们将必须种植植物以维持火星大气密度并可供人类呼吸。
在我们所设计的火星改造行动计划中，很多环节之间的相互作用既可能是有利的，也可能伴随着不可预知的危险。如果乐观的话，越多固态水融化成流动水，就有越多的细菌可以将硝酸盐降解，生成氮气并排入大气中——使火星的大气环境更有利于植物生长，进而增加火星大气中氧气的含量。这些过程之间有着惊人的互相促进作用。
在星球改造的过程中，可能存在一些王牌，包括唤醒远古生物的可能性。如果我们在脑海中回想，水曾经在火星上流动过，并且大型湖泊、河流以及一片海洋曾经存在过，而且大气层曾经稠密，就很难相信这个星球没有生命存在过。尽管我们还没有证据证明在火星的什么地方曾经存在过生命，但“好奇号”探测器已经证明火星确实存在形成生命基本单元的化学物质。我们都知道，水是支撑生命的关键要素，因此我们有理由相信火星并不是一直像如今看起来这般毫无生命迹象。
实际上，一种关于地球上生命起源的理论就与火星有关。在太阳系形成的早期，大量的小行星和彗星在太阳系中飞行，巨大的火星陨石被撞击进入太空。如果这些陨石中包含生命，它们就有可能随着撞向地球的那些火星陨石而来到这个新的家园。我们已经有证据证明，微生物可以经受宇宙空间旅行。人们普遍相信，大约在地球上生命出现的时期，火星上曾经存在流动的水。如果火星上的确存在过生命，那么这些生命也就有可能是先于地球生命的出现。这也就意味着地球上的生命有可能是起源于火星。
但这个理论反过来也可以成立。在地球的早期阶段，也有大量的巨型陨石被小行星撞击进入太空。月球的形成就有可能是由于某个大型天体与地球撞击的后果。如果我们在火星上找到与地球上类似的生物，那么这两个行星之间的协同作用，以及究竟是谁孕育了谁的生命，将形成另一个震惊世人的谜题。更重要的任务是，找到火星上还存活着的微生物。这样的发现将是火星移民们的巨大福音，因为这些生物无疑将十分适应火星的环境。如果这些微生物在火星重新流动起来的水中被大量复活，我们可以通过猜想来推断它们对火星大气环境的改善作用，以及出现更多高级的火星生命将带来怎样的影响。尽管早期的探索没有找到明确的证据证明火星上存在生命，但在火星上的水重新流动起来之前，我们可能还不能断言生命是否在火星上存在。只有到那时，我们才能知道在火星风化层、岩石下，以及地下深处的热井和被地热效应温暖着的地下含水层究竟有没有潜藏着什么。
随着火星变暖，早期居民可能在某一个醒来的早晨发现他们的脚下有类似于苔藓的植物在生长。如果真的出现随着火星变暖而复苏的火星生物，它们将极大地加快人类对火星的适应过程。当然，这些生物也可能身怀剧毒，能够穿透哪怕是最好的宇航服，会将火星上的所有人类都杀死。但基于我们对地球上生物的了解，后一种情况出现的可能性并不大。
另一张王牌与我们将要带到火星的生物以及它们将如何适应火星环境有关。不管我们对宇宙飞船在从地球发射之前进行了多么彻底的清洁，仍然会有一些微生物搭上这个“顺风车”。怀疑已经降落在火星上的“好奇号”等探测器是否携带着细菌是愚蠢的，因为我们都知道，这些探测器被组装的清洁室一定不可能如我们所想那般完全干净。通过这样或者那样的途经，我们总会将一些生命带到火星大陆上。而且这些生命很可能会找到方法繁衍生息下去，尤其是如果我们可以让火星上出现流动水源的话。
星球改造既面临如何使火星变暖这样的短期问题，也面临如何将有毒的火星空气改造得可供人类呼吸这样的长期问题。这个难题在前面的章节已经有过阐述，但仍然值得在关于火星改造的内容里再次被讨论，因为获得可呼吸的空气在目前看来，是火星居民们将面临的挑战性最大、最费时间、所需成本最高的一个课题。那些推动过火星最前沿研究的个人和组织们，有理由对我们可以运用必要的技术力量使火星变暖并获得流动水源保持乐观。至于在星球改造过程中获得人类可呼吸空气的问题，相对于时间投入，更在于我们愿意投入多少资金。利用最快也是最昂贵的技术，可以使火星环境在短短几十年间发生重大变化。但是要使火星大气中具有适当的氧气，这项工作可能会需要花费千年以上的时间。
人类还面临两个方面的重大难题。第一个问题，人类在地球上呼吸的是由21%的氧气和78%的氮气所组成的混合空气。这个比例很重要。如果氧气的比例偏低几个百分点，我们就会感觉缺氧；而如果氧气含量高了几个百分点，则会对我们的肺部造成损害。我们所呼吸的氮气是占空间的缓冲气体——它并不与我们的肺发生作用，我们会在吸入空气以后将氮气呼出体外。尽管如此，从体积来看，氮气占到了空气的绝大部分。惰性气体氩气或者氮氩混合气可能会是我们改造火星大气的希望。因此，我们不仅要找到足够的氧气注入大气，还要将目前二氧化碳浓度高达95%的火星空气中的大部分二氧化碳替换成惰性气体。而让事情更复杂的是，即使我们能将火星空气重新调配成功，火星气温可能会随着二氧化碳浓度的降低而变冷。一个由氧气和氮气或者其他惰性气体组成的大气环境没有温室效应；地球的温度得以保持是因为大气层中存在着大量的水蒸气，再加上其他的一些因素。假如，当我们将火星的温度提高到一定程度，使固态水融化，大量的水蒸气进入火星大气中，火星上可能会马上下雨和下雪，而不能使水蒸气停留在大气中。
相对于星球改造过程中的其他课题，科学家和工程师们关于如何使火星有氧化的提案显得粗略和含糊得多。火星空气改造的所有技术并未齐备。我们可以充分地想象将如何实施火星大气环境改造，但我们并不能确定在第一次真正的尝试中就可以成功。而且在实施的过程中我们也必须十分谨慎，因为一旦出现问题，我们可能并没有机会去修补已经犯下的错误。
即使是最乐观积极的火星大气环境方案，也计划要用900年的时间才可完成。而在这样的时间范围里，人类也有可能会发生惊人的进化，因此有理由相信我们是可以成功的。如今距离“阿波罗11号”飞船登陆月球还不到50年时间。随着我们知识的积累以每隔几年就会翻倍的速度增长，从现在开始的两三百年后，我们一定会对这个问题有更深刻的认识。并且这其中还有一个催化剂——我们的基因改造能力，尤其是植物的基因改造能力，正在像光速一样急剧发展。尽管在地球上“基因改造”可能是一个邪恶之词，但它可能正是我们能否在火星创建一个可供人类呼吸的大气环境的答案所在。
让我们来梳理一下目前已经掌握的关于火星大气改造的认识。随着我们将火星变暖，水开始流动，水合反应将会发生，进而产生硝酸盐并释放氮气，这将对植物生长起到很关键的作用。我们种植的植物越多，火星上就会有越多的氧气。而且，当水流过风化层，会把里面的很多氧化物分解，释放出氧气。在遍布火星的红色尘埃里有数量庞大的氧原子，这些尘埃的主要成分是铁氧化物。
可以利用一些小型的核驱动的机器在火星表面四处游走，掀起火星表面的尘埃，并将它们加热，释放出氧气。（但想象使用上百万个割草机一样的机器在火星上工作还有点不切实际，这需要消耗大量的能源。）一个更好的主意是按照罗伯特·组布林的理论，先向火星引入细菌和原始植物来启动使之有氧化的工程，这将为后期引入更高级的植物产生更多氧气创造基础条件。
太阳和宇宙辐射会是植物生长的不利因素之一，但随着火星变暖以及火星大气变得更加浓密——虽然是以二氧化碳为主——辐射的危害可以大大地被减弱。正如前面的章节中已经提到过，虽然大量二氧化碳的存在对人类生存有很大危害，却有利于植物的生长。植物可以消耗二氧化碳并排出氧气。已故的物理学家理查德·费曼（Richard Feyman）常说，树其实不是陆地植物——它们在空气中生长。植物主要依靠阳光和二氧化碳生长，当然，大部分植物也需要依靠土壤获得水分。植物在火星这个富含二氧化碳的环境中将繁盛生长，而我们的基因改造能力应该也会创造出一些可以在火星上生长得更好、更快的植物品种。最终，基因改造可能是拥有可呼吸空气的关键。我们知道不能指望植物自己就能完成任务——它们必须被彻底改造，才能在高辐射、低大气压力并且缺乏氮气的环境中生存。
植物，当然只是整个解决方案的一部分。因为随着我们对于细菌和微生物基因改造能力的快速提升，我们更可能会创造出全新的生物，它们也许可以消耗火星上我们不需要的物质，比如二氧化碳；然后排放出我们需要的物质，比如氧气和氮气。
关于火星大气环境改造需要上千年时间的估计，并没有计入可预见的科学和技术进步因素。2014年9月，美国宇航局的“MAVEN”探测器进入火星轨道。它主要是被设计用于研究火星的高层大气和电离层，以测知目前火星上留存的大气有多少正在被太阳风卷入太空。整个计划为期一年，将尝试探究曾经是什么让火星从一个温暖湿润的星球变成了如今这样寒冷干旱的地方。“MAVEN”探测器可能会带来很多新消息。
我们所确知的是，我们关于火星的认识正在呈指数级增加，我们的生物工程技术也在快速增长，人类正在迅速变得更加聪明。回想一下300年前的18世纪我们对生物科技和化学的认识，然后想象一下从现在起的300年之后，也就是2300年我们可能获得的科学认知。我们目前掌握的大部分知识到那时都会显得古老而过时。
我们在基因编辑方面做得越来越好，可以通过去除一些和加入另外一些基因来调整细胞内的基因结构。我们也越来越善于利用病毒进入人体细胞的核心并改变遗传密码。到目前为止，相关的研究主要是以治疗疾病为方向。但在不久的将来——可能是50年之内——我们就可以对人类进行基因改造。实际上，通过一些隐秘的途径，这项工作已经开始了。并且，大自然其实已经对人类进行过基因改造了。人体有多达8%的遗传密码是来自在人类亿万年的进化历史中曾经攻击过我们的病毒，这些病毒进入我们的细胞内部，改变了我们的DNA（脱氧核糖核酸）结构，以帮助它们进行自我复制。我们现在所做的，就是在重复大自然的这一过程——利用病毒进入人体细胞，并改造它们。位于圣地亚哥的塞拉登（Celladon）公司所研发的通过改变心脏肌肉细胞结构的方式治疗心力衰竭疾病的方案，正在进行美国食品和药物管理局（FDA）第二阶段的试验。他们所做的就是进行心脏细胞的改造。这种思路也可以被用于宏大的火星改造计划：为什么我们不重新设计人类的肺或者血细胞，使它们具备从二氧化碳分子中分离出碳元素的能力？如果觉得我们在300年之后还无法做到这一点就显得太幼稚天真了。
这样看来，人类是否能够在火星生存下来的问题，可能并不在于我们要如何改造火星，而在于我们要如何改造人类本身。这似乎看起来有些令人生畏，但改造人类基因的技术已经触手可及。在用于治疗疾病和使人类具备更强抵抗力时，我们全心全意地拥抱基因改造技术。我们很快就会达到一个由人类自己而非大自然来主宰人类进化过程的时代。没有理由不将这样的知识和技术运用到使火星——这一人类的后备家园——更适宜人类居住的工程中来。
“我认为宇航员的身体应该通过基因治疗方案进行强化，”安吉洛·维米伦说，“人体并不适宜太空旅行。我们知道有些人比其他人更少受到辐射的影响。我们会找出原因，并对基因进行改造，使人类可以更好地适应高辐射环境。”
可能我们并不能在一代人的时间里完成基因改造，使人类可以呼吸火星上以二氧化碳为主的空气，但我希望我们可以对人类的精子和卵子进行基因改造，使这样的改变可以在我们的后辈们身上获得成功。基因工程将不再是幻想，它正在成为现实。并且，随着时间的向前推移，我们可能会同时在星球改造技术和人类基因改造两个方面都取得比较大的进展，最终可能会达到一个汇合点：火星大气二氧化碳浓度降低至40%，而经过基因改造的人也可以在二氧化碳浓度高达40%的空气中呼吸。基因技术和星球改造技术可能会创造一个可喜的平衡。
改造人类看起来似乎比改造一个行星更加荒诞，但如今我们对前一种技术的掌握程度要远远优于后者。可能要使用一种原本只有上帝掌握的能力有些令人不安，但精灵已经从瓶子里被释放出来了，为了生存，人类必须拥抱这种能力。
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