2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 火星生态系统的恢复技术

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——火星生态系统的恢复技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪一项不是火星表面环境对生命生存构成的主要威胁？A.极端低温和温度剧变B.高真空环境C.高强度宇宙射线和太阳辐射D.充足的液态水2.火星大气的主要成分是？A.氮气（N₂）和氧气（O₂）B.氩气（Ar）和二氧化碳（CO₂）C.氢气（H₂）和氦气（He）D.二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）3.在火星生态恢复的初期阶段，以下哪种生物体最有可能被选作先锋物种？A.高等植物B.哺乳动物C.地衣或苔藓D.鱼类4.闭环生命支持系统（CLSS）在火星任务中的核心目标是？A.实现宇航员娱乐和休闲B.提供氧气和水的持续再生循环C.确保宇航员的食物供应无限增长D.减少对地球物资的依赖5.火星土壤（风化层）中通常含有较高浓度的？A.有机质和氮元素B.重金属和盐类C.氧气和氢气D.氮气和氧气6.利用火星大气中的二氧化碳（CO₂）和水冰（H₂O）来生产水和氧气的技术被称为？A.生物再生技术B.岩石粉碎技术C.电解水技术D.碳酸钙沉淀技术7.火星生态恢复所面临的主要技术挑战之一是？A.缺乏足够的太阳能供应B.无法实现水资源的循环利用C.火星大气成分过于单一D.火星微生物数量稀少8.辐射防护技术在火星生态恢复中扮演的角色是？A.提供额外的热源B.帮助植物进行光合作用C.保护生态系统免受高能粒子损伤D.增强土壤的肥力9.基因编辑技术在火星生态恢复中可能的应用方向包括？A.增强微生物对火星土壤的降解能力B.提高植物的光合效率C.改造微生物以适应低气压环境D.以上所有10.火星苏打水湖的潜在价值在于？A.提供稳定的液态水来源B.可能存在溶解的矿物质和生物标志物C.可作为大型生态系统的核心D.以上所有二、填空题（每空1分，共10分）1.火星表面的平均温度约为_______K，远低于水的冰点。2.火星大气压约为地球海平面大气压的_______%。3.为了在火星表面建立可持续的生态系统，需要解决_______、_______和_______等关键环境问题。4.火星上的水主要以_______和_______的形式存在。5.闭环生命支持系统旨在实现水、空气和_______的在轨再生。三、名词解释（每题3分，共15分）1.闭环生命支持系统(Closed-LoopLifeSupportSystem)2.资源就地利用(In-SituResourceUtilization,ISRU)3.生态恢复(EcologicalRestoration)4.火星苏打水湖(MarsSodaLakes)5.辐射防护(RadiationProtection)四、简答题（每题5分，共20分）1.简述火星大气的主要成分及其对人类生存和生态系统建立的挑战。2.简述利用火星土壤和水冰生产水蒸气和氧气的两种主要化学方法。3.简述在火星建立人工生态系统可能面临的三个主要生物技术挑战。4.简述辐射对火星生态系统中的生物体可能造成的两种主要损伤类型。五、论述题（每题10分，共20分）1.论述利用基因编辑技术改造火星微生物以适应极端环境的必要性和潜在风险。2.分析就地资源利用（ISRU）技术在实现大规模火星生态系统恢复中的关键作用及其面临的主要障碍。---试卷答案一、选择题1.D2.B3.C4.B5.B6.A7.B8.C9.D10.D二、填空题1.2102.0.63.辐射、温度、大气成分（或压强）4.冰caps/polaricecaps,subsurfaceice5.废物三、名词解释1.闭环生命支持系统(Closed-LoopLifeSupportSystem):指能够将人类活动产生的废气、废水和废热等污染物进行处理和回收，重新利用于生命支持，从而最大限度地减少对外部补给依赖的生态系统。2.资源就地利用(In-SituResourceUtilization,ISRU):指在目的地（如火星）利用当地自然资源（如土壤、水冰、大气）来生产生命支持必需品（如水、氧气、燃料、建筑材料）或其他有用物品的技术和过程。3.生态恢复(EcologicalRestoration):指通过人为干预，使退化、破坏或丧失的生态系统逐渐恢复其结构和功能，重新获得生物多样性和生产力，并接近其自然或半自然状态的过程。4.火星苏打水湖(MarsSodaLakes):指火星上富含碳酸钠等盐类的水体，其pH值通常较高，可能形成碱性环境，是研究极端环境微生物和探索地外生命潜力的潜在场所。5.辐射防护(RadiationProtection):指采取措施（如使用屏蔽材料、合理规划暴露时间与距离）来减少或防止人类暴露于有害电离辐射（如宇宙射线、太阳粒子事件、地表放射性物质衰变产生的辐射），以保护人体健康和维持生态功能的技术手段。四、简答题1.火星大气的主要成分是二氧化碳（约95%），含量高但氧气极少（约0.13%），大气压极低（约0.6kPa，不到地球的1%）。稀薄且寒冷的大气无法有效保温，导致表面温差巨大；缺乏足够的氧气无法支持人类直接呼吸，需要依赖生命支持系统；低气压使得液体难以稳定存在，水会迅速沸腾或升华；高浓度的二氧化碳和缺乏氮气也影响植物光合作用和人类生理功能。这些因素共同构成了人类生存和建立稳定生态系统的巨大挑战。2.两种主要的化学方法是通过高温热解二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）来制取水蒸气和氧气。*方法一：碳热还原法。利用火星土壤中的氧化铁（或其他碳酸盐，如碳酸钙，若能从地壳提取）作为还原剂，在高温（如>2000°C）和还原气氛下与水蒸气反应。例如：Fe₂O₃+3H₂O→2FeO+3H₂O(g)；FeO+H₂O→Fe+H₂O(g)。副产物铁可用于建筑等。通过分离水蒸气和氧气，可获得氧气和水。*方法二：电解水（需先制备水）。如果通过ISRU或从地球携带了水，或者从火星大气中提取氢气再与氧结合形成水，然后通过电解水（2H₂O(l)→2H₂(g)+O₂(g)）可以直接获得高纯度的氧气和氢气。氢气可作为火箭燃料或生命支持补充。3.在火星建立人工生态系统可能面临的三个主要生物技术挑战包括：*适应极端环境：火星的极端低温、高辐射、低气压、缺乏液态水和特定营养素（如有效氮、磷）等条件对地球生物是致命的，需要通过基因工程或筛选驯化，使生物体获得耐受性。*营养循环障碍：火星土壤缺乏可供植物直接吸收利用的有机质和氮磷等关键营养元素，需要开发有效的土壤改良或无土栽培技术，建立闭合的营养物质循环回路。*系统稳定与平衡：人工生态系统内部各物种间的相互作用、能量流动和物质循环关系复杂，如何构建稳定、自给自足且能够抵抗干扰的生态系统结构是一个巨大的挑战，需要精确调控和长期监测。4.辐射对火星生态系统中的生物体可能造成的两种主要损伤类型包括：*直接损伤：高能带电粒子（如质子、重离子）或光子（如X射线、伽马射线）直接轰击生物体的DNA、蛋白质等关键生物大分子，导致链断裂、结构改变、功能丧失，引发基因突变、细胞死亡或染色体畸变。*间接损伤：辐射与生物体所处的环境介质（如水）相互作用，产生高活性的自由基（如羟基自由基·OH），这些自由基随后扩散并攻击生物大分子，造成氧化损伤，尤其对细胞膜脂质和DNA造成破坏，影响细胞正常代谢和遗传信息传递。五、论述题1.利用基因编辑技术改造火星微生物以适应极端环境的必要性和潜在风险：*必要性：火星环境的严酷性（低温、高辐射、低气压、贫瘠土壤、缺乏液态水等）使得从地球引入的物种难以生存。基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）能够精确地修改微生物的基因组，赋予其适应火星环境的特定性状，如增强对辐射的抵抗能力、提高在低温下的代谢活性、优化对贫瘠土壤中有限营养物质的利用效率、甚至使其能够固氮或转化有毒物质等。这是实现火星生态恢复初期阶段目标（建立自给自足的生命支持或初级生态系统）的关键一步，可能比从地球不断输送物资更为可持续和经济。*潜在风险：基因编辑可能产生意想不到的负面效应，如引入有害突变、产生新的病原体、破坏微生物间的生态平衡、对火星原有微生物（如果存在）造成未知影响等。此外，基因编辑技术的应用可能引发伦理争议，特别是在对一个完全异星环境进行改造时，其长远生态后果难以完全预测。此外，在火星上进行复杂的基因编辑操作面临技术挑战和资源限制。2.分析就地资源利用（ISRU）技术在实现大规模火星生态系统恢复中的关键作用及其面临的主要障碍：*关键作用：ISRU技术是实现大规模火星生态系统恢复的核心支撑。它通过利用火星本地丰富的资源（水冰、大气中的CO₂、土壤矿物质等），生产生命支持必需品（水、氧气供呼吸和植物生长、食物原料、建筑材料、火箭燃料等），极大地减少了对昂贵且耗时的地球补给依赖。这不仅降低了火星任务的成本和风险，也为建立长期、可持续的火星基地和实现大规模生态恢复提供了物质基础。例如，利用CO₂和水生产甲烷和氧气作为火箭推进剂和生命支持气体，利用土壤制造建筑材料，利用水冰提供生活用水和农业灌溉水源，利用土壤或提取的矿物作为植物生长介质等。*主要障碍：ISRU