2020年4月1日，《自然 生物技术》在线发表了一篇名为The case for biotech on Mars的评论文章，就生物技术在人类移民火星中能够扮演的角色进行了有趣的讨论。
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火星移民的设想（Bryan Versteeg/spacehabs.com）
阿波罗时代以来，征服火星成为人类航天事业的下一个目标。火星有诸多支持人类长期定居的环境条件：
- 地球和火星的距离较近，地火间航行和补给的时间尺度可以接受
- 火星体表平均温度与地球冬季相近（-14 ℃，体感可能更接近 1 ℃）
- 火星地表和地下有水存储
- 火星大气层中有生命必需元素，如碳氢氧等；土壤中含有其他的一些元素可供利用
- 火星自转周期与人体节律、植物光周期相符（一个火星天为24小时37分钟）
Starcopper试飞 （SpaceX）
目前世界上对于火星探索的研究也在如火如荼地进行中。
2019年 SpaceX 的火星飞船原型机 Starcopper 试飞到达150米高度，在 SpaceX 的计划中，它将在2025年实现载人登陆火星的目标。
NASA计划在2028年前在火星轨道建立空间站，2033年前登陆火星卫星，2050年前宇航员登陆火星表面。俄罗斯和中国的航天机构也有相应的登陆计划。
火星移民的阶段和挑战
设想中火星移民的几个阶段
根据居住人数的不同，设想中的火星移民可以分为三个阶段：居住人数小于100的第一阶段、居住人数在100-10000的第二阶段、居住人数10000以上的第三阶段。每个阶段的主要矛盾和所能获得的资源不同，生物技术所能扮演的角色也不同。但归根结底，常居火星将面临四个主要问题：食物，材料，医疗，废物回收利用。
合成生物学的发展、生物信息技术的进步以及各种组学研究的开展使得人们可以设计或改造生物的代谢通路、提高它们适应火星环境生存的能力，利用火星资源（如大气中的二氧化碳和甲醇分子）生产维持人类生活的物质。同时DNA合成技术的进展使得人们可以在地球开展工程生物DNA的设计，并在火星合成相应的DNA分子并投入使用，减少地火运输带来的成本和损耗。
火星移民第一阶段——高度依赖地球
火星移民的早期阶段，从火星本地利用资源的能力不足，各种资源必将高度依赖地球的运输，或者废物中的回收。
食物：食物是早期阶段最为迫切的需求。假设每位宇航员每天需要3000卡路里的饮食，6位宇航员生存500天所需要的食物重量约为5吨，算上运输和应急所需，还需要额外的8-10吨。所以在第一阶段，维持宇航员的能量和营养需要是首要任务，食物可由微生物发酵生产获得。
微生物发酵所需要的时间周期只在几天到1周，对容器和环境的要求低，产量高（50立方米的发酵罐在几天内就可以生产出25英亩大豆所含的蛋白质），可以在短时间内用较小的空间生产出维持宇航员生存的生物。
同时微生物还可以被遗传改造，从而使得它们可以利用火星大气中的二氧化碳和甲醇作为碳源，生产食物。我们可以改造一些以甲醇作为能量来源的菌株，或者将代谢甲醇的基因回路在大肠杆菌或枯草芽孢杆菌中表达。这些工程细菌可以被用来表达多种多样的物质，比如蛋白质、维生素、脂肪酸、调味剂等等。
材料：在火星表面，石油化学分子稀缺，因此在地球上用石油化学分子合成的材料在火星上较难合成。而与食物生产相似，发酵罐中的工程微生物也能以二氧化碳为原料合成各种材料分子。而且生物合成的材料有一个独特的优势：它们很容易被生物降解，进而转化为其他物质，达到废物回收利用的效果。因此，火星飞船内部各种物品（比如物资的包装）的材料可以用可被生物降解的塑料材质，在到达火星表面后用微生物降解转化为有用的物质。
医疗：在长期的火星定居中，必须实现医疗物资的充足，而在较紧急的情况下，地火之间的药品运输是不可能的。在最初的登陆阶段，可以从地球携带药品，用抗辐射包装运输（防止降解）。但是一些小分子药物和重组蛋白的生产可以用微生物发酵生产以供急用。
废物利用：早期废物利用的重点应该是尿液。尿液中含有高浓度的营养元素可以被生物利用，而且比固体废物在化学上更简单、更均匀，很容易被单独分离回收。尿液可以作为微生物的营养物质，比如 A. platensis （一种蓝藻细菌）可以在尿液中培养，它们产生的营养物质和蛋白质与在标准培养基中生产的物质相同。为了防止微生物被尿液中的二级代谢产物杀死，我们可以根据宇航员的尿液成分调整工程微生物的代谢通路。
火星移民第二阶段——火星试验场
在火星移民的第二阶段，随着移民人数的增多和第一阶段的反馈数据的积累，移民者开始修建更大型的复杂设备，利用火星当地资源的能力也在试验中得到提高。
食物：随着对火星气候了解的深入，第二阶段可以引入光能自养型生物（比如藻类）进行食物的生产。地球上藻类的商业化生产受到二氧化碳供给和调节能力的限制，但在火星上高浓度的二氧化碳环境反而利于藻类的生产。但是由于火星上较低的光照强度和笼罩整个星球的沙尘暴，如何维持光能自养型生物大规模生产的产量是个问题，可能需要人工光源的辅助。
考虑到长期居住的心理和生态因素，小规模的植物种植实验也会开展。植物的耕种条件与藻类类似，基于液体（而不是土壤）的植物种植技术得到发展。
材料：在第一第二阶段的使用中，生产材料的菌株得到不断优化，产量提高，生产的材料范围扩大，可以用于栖息地的扩张和温室的建造。菌株生产的材料分子的纯化技术以及下游配套的材料生产工艺不断优化。
医疗：抗辐射药物的生产对人类在火星上的长期居住很重要。宇航员在国际空间站上执行6个月的任务后，会累积160 mSv 的辐射，在他们的职业生涯中会累积6 Sv（西弗特）的辐射。除了治疗急性辐射暴露引起的疾病，一些天然产物可能保护生物分子免受辐射损伤或诱导细胞修复。对于那些保质期较短和需求多样的药物（如促红细胞生成素，抗菌素和用于放射保护的生物制剂），生物合成还是一个不错的选择。
废物利用：经过一段时间的研究，火星上的废物利用系统可以被用来处理固体有机废物。固体有机废物可以包括人类的粪便、食物废物、植物废物等等，这种多样性也给废物利用增加了很大的难度。通过对不同种类的固体有机废物的成分分析，结合微生物群落设计，可以将不同组成的微生物群落接种到不同种类的固体有机废物上。
火星移民第三阶段——独立于地球
图源SpaceX
移民的第三阶段有超过1万人的长期居住，人们可以充分利用火星的地表和大气资源，实现基本独立于地球的生活。
食物：在移民早期选择植物作为食物有很多缺点，比如火星光照时间短，植物生长时间长、占地面积大、把光转化为营养物质的效率低、能够提供的热量少，对植物进行遗传改造的能力不足。但是在移民后期，出于植物本身的生态调节作用，以及为移民身心健康考虑，大规模地植物种植势在必行。
如何让植物在火星的土壤上生长将是一个主要问题。考虑到火星的低日照、长时间的沙尘暴遮挡阳光、与地球不同的无机营养成分和土壤中潜在的毒性物质，即使在理想的温室条件下，种植未经遗传改造的植物将很困难。种植主要农作物需要补充光照，而这种能源需求可能在移民的前中期根本无法满足。土壤的成分可以通过工程微生物调节，它们可以通过降解/转化有毒物质、富集营养物质和为肥料分解废物来调节表层土壤，使之适合农作物生长。
材料：随着对材料合成的效率和产量的要求提高，大规模的化学合成将成为主流，与之配套的是对于火星矿产资源的开采、冶炼等大型车间和各种生产工厂的建造。 在这一阶段，塑料将在专用的化学生产工厂中进行大批量的化学生产，而对一些特殊的材料需求，可以采用小批量、灵活的生物生产。
医疗：随着生物合成技术和下游加工设施的完善，火星上的移民地将会具备自己合成常用药物的能力，在火星上的工程菌株库也给与人们按照实际需求合成药物的能力。
废物利用：微生物群落可以被用来降解更多种类、更复杂的废物，如有机废物、包装或化学制品。不同的微生物群落可以被放到一个又一个相互连接的生物反应器中，在一个生物反应器中经过反应的产物被运送到下一个生物反应器中，进行下一步反应。同时，代谢工程技术可以优化多种生物降解或生物合成途径，根据不同的需求对微生物群落进行定制。采用微生物群落对废物进行处理的优势是微生物群落对不同的环境更加稳定，同时产生的有毒物质更少。
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