2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——火星土壤與植被研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不是火星土壤（風(fēng)化層）中常見(jiàn)的氧化鐵形式？A.赤鐵礦B.褐鐵礦C.三水鋁石D.鈦鐵礦2.火星探測(cè)器通常通過(guò)探測(cè)什么信號(hào)來(lái)推斷地下是否存在水冰？A.紅外輻射特征B.伽馬射線(xiàn)能譜C.氯化物含量D.氣壓波動(dòng)3.目前在火星上進(jìn)行的植被研究，其主要形式是：A.直接種植火星本土植物B.在火星模擬環(huán)境中進(jìn)行植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)C.通過(guò)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)疑似植被區(qū)域D.對(duì)火星土壤中的古菌進(jìn)行培養(yǎng)4.火星土壤的高滲透性和低粘聚力主要是由于以下哪個(gè)因素的顯著影響？A.高有機(jī)質(zhì)含量B.大量碳酸鈣沉積C.缺乏風(fēng)化作用D.持續(xù)的極端溫度循環(huán)5.以下哪項(xiàng)技術(shù)最不適用于火星土壤樣品的遠(yuǎn)程原位分析？A.X射線(xiàn)衍射（XRD）B.伽馬射線(xiàn)能譜儀（GRS）C.熱釋光（TL）D.嫌疑礦物成像儀（RIM）6.火星基地建設(shè)若要利用土壤作為建筑材料，其面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.土壤過(guò)于肥沃B.土壤缺乏結(jié)構(gòu)性C.土壤富含易燃?xì)怏wD.土壤有機(jī)物含量過(guò)高7.“膽堿磷脂”被認(rèn)為是生命的重要標(biāo)志物，科學(xué)家在火星土壤中尋找它的意義在于：A.它是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)素B.它可以作為一種燃料來(lái)源C.它的存在可能指示過(guò)去或現(xiàn)在存在生命D.它能幫助火星土壤改良8.火星大氣稀薄的主要后果之一是：A.導(dǎo)致土壤有機(jī)物快速分解B.使得土壤更容易保持水分C.降低了紫外線(xiàn)對(duì)土壤表面的輻射強(qiáng)度D.減少了土壤風(fēng)蝕的可能性9.在討論火星植被可能性時(shí)，“極端低溫”是一個(gè)核心限制因素，這主要影響植物的：A.光合作用效率B.水分吸收能力C.根系系統(tǒng)發(fā)育D.花粉傳播機(jī)制10.以下哪項(xiàng)不是生物穹頂或封閉式火星基地中實(shí)現(xiàn)植物光合作用所需模擬的關(guān)鍵環(huán)境因素？A.穩(wěn)定的光照來(lái)源B.充足的二氧化碳濃度C.模擬火星土壤的介質(zhì)D.完全封閉的水循環(huán)系統(tǒng)二、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.火星次生礦物2.環(huán)境同位素分餾3.火星模擬生態(tài)圈4.基因編輯（用于火星農(nóng)業(yè)）5.風(fēng)蝕洼地三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述火星土壤物理性質(zhì)（至少兩項(xiàng)）對(duì)生命存在的潛在影響。2.描述至少三種不同的方法，用于探測(cè)火星土壤中可能存在的生命跡象。3.解釋為什么火星土壤中的水冰資源對(duì)于未來(lái)火星基地建設(shè)至關(guān)重要。4.簡(jiǎn)述當(dāng)前火星植被研究的兩種主要方向及其局限性。四、論述題（每題10分，共30分）1.分析火星土壤作為未來(lái)基地建設(shè)材料的潛在優(yōu)勢(shì)與必須克服的技術(shù)難題。2.探討利用生物技術(shù)（如基因工程）改造植物以適應(yīng)火星環(huán)境可能面臨的挑戰(zhàn)與前景。3.結(jié)合當(dāng)前火星探測(cè)任務(wù)（如毅力號(hào)、祝融號(hào)等）取得的成果，論述火星土壤與植被研究對(duì)理解火星宜居性及未來(lái)探索的意義。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.D5.C6.B7.C8.A9.A10.D二、名詞解釋1.火星次生礦物：指在火星原始巖石風(fēng)化作用下，由原生礦物經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)重新形成的礦物。例如，在火星環(huán)境下形成的赤鐵礦、褐鐵礦、硫酸鹽等。2.環(huán)境同位素分餾：指在物理或化學(xué)過(guò)程中，不同種類(lèi)的同位素由于質(zhì)量差異而在不同相或不同區(qū)域之間發(fā)生分配比例不同的現(xiàn)象。在火星研究中，常通過(guò)分析土壤或水中水的同位素比率（如H?O的δD,δ1?O）來(lái)追溯水的來(lái)源或過(guò)去的氣候環(huán)境。3.火星模擬生態(tài)圈：指在地球上建造的，旨在模擬火星特定環(huán)境條件（如溫度、壓力、輻射、土壤成分等）的封閉式實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究生命（如微生物、植物）在火星環(huán)境或模擬環(huán)境下的生存、生長(zhǎng)和相互作用。4.基因編輯（用于火星農(nóng)業(yè)）：指利用基因工程技術(shù)（如CRISPR-Cas9系統(tǒng)）精確修改植物基因，以提高其在火星極端環(huán)境（如強(qiáng)輻射、低溫、低氣壓、特殊土壤）下的生存能力、生長(zhǎng)速度、營(yíng)養(yǎng)含量或資源利用效率，使其更適合在火星上種植。5.風(fēng)蝕洼地：指火星地表上由風(fēng)力侵蝕作用形成的碗狀或漏斗狀凹陷地形。它們是火星風(fēng)蝕地貌的一種常見(jiàn)類(lèi)型，通常由風(fēng)對(duì)疏松土壤的吹蝕和磨蝕作用造成。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述火星土壤物理性質(zhì)（至少兩項(xiàng)）對(duì)生命存在的潛在影響。*土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)：火星土壤普遍較粗（富含碎石和粉塵），孔隙度大，可能導(dǎo)致水分快速流失，不利于植物根系保持水分；同時(shí)，缺乏穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)，但也不利于形成適合植物生長(zhǎng)的微環(huán)境。生命（特別是植物）需要土壤提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來(lái)錨定根系和保持水分、空氣。*溫度特性：火星土壤晝夜溫差大，且土壤導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致土壤表層溫度變化劇烈。這對(duì)生命活動(dòng)是嚴(yán)峻考驗(yàn)，特別是對(duì)于依賴(lài)穩(wěn)定溫度進(jìn)行代謝和生長(zhǎng)的植物而言，可能需要深厚的土壤層或特殊適應(yīng)機(jī)制來(lái)緩沖溫度波動(dòng)。*（可選）其他物理性質(zhì)：如土壤的高電導(dǎo)率（可能含鹽）可能對(duì)生命有毒性或影響細(xì)胞滲透壓；土壤的壓實(shí)程度也會(huì)影響根系穿透和氣體交換。2.描述至少三種不同的方法，用于探測(cè)火星土壤中可能存在的生命跡象。*直接尋找細(xì)胞或微生物體：使用顯微鏡（如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM）直接觀察土壤樣本中是否存在形態(tài)上符合生物特征的微觀結(jié)構(gòu)。這需要高分辨率的成像技術(shù)，并可能結(jié)合化學(xué)染色法（如檢測(cè)細(xì)胞壁成分）輔助識(shí)別。*尋找生物標(biāo)志物：分析土壤樣本中的有機(jī)分子或特定礦物。例如，尋找復(fù)雜的碳化合物（如氨基酸、核苷酸、類(lèi)脂物）、手性分子（特定構(gòu)型偏好）、或形成生物活動(dòng)的礦物（如特定的磷酸鹽結(jié)構(gòu)、黃鐵礦等）。需要注意的是，某些有機(jī)物或礦物可能非生物成因。*探測(cè)生命活動(dòng)的痕跡：尋找由生命活動(dòng)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物或礦化結(jié)構(gòu)。例如，檢測(cè)土壤中的甲烷（某些微生物的代謝產(chǎn)物）、氧化還原活性物質(zhì)、或特定的生物礦化層。這種方法旨在尋找生命的“活動(dòng)證據(jù)”而非直接實(shí)體。3.解釋為什么火星土壤中的水冰資源對(duì)于未來(lái)火星基地建設(shè)至關(guān)重要。*生命支持：水是維持人類(lèi)生命活動(dòng)最基本的物質(zhì)，用于飲用、衛(wèi)生、食物生產(chǎn)（植物生長(zhǎng)需要水）等。利用土壤中的水冰可以直接提供純凈的飲用水和衛(wèi)生用水，減少?gòu)牡厍驍y帶水的巨大成本和重量。*資源利用與制造（ISRU）：水冰是寶貴的資源，可以通過(guò)電解水產(chǎn)生氧氣供呼吸之用（生命支持），同時(shí)產(chǎn)生氫氣可作為火箭燃料（推進(jìn)）。利用本地資源制造必需品（ISRU）是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、可持續(xù)火星基地的關(guān)鍵。*建筑與材料：液態(tài)水可用于融化后作為建筑材料（如砂漿、混凝土的成分），或用于調(diào)節(jié)基地溫度。土壤本身也可作為建筑材料（經(jīng)過(guò)處理），而水冰的存在影響著土壤的工程特性。*農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)：火星基地的長(zhǎng)期生存需要農(nóng)業(yè)來(lái)提供食物。農(nóng)業(yè)需要大量、穩(wěn)定的水源，土壤中的水冰是獲取這些水的最直接和潛在的豐富來(lái)源。4.簡(jiǎn)述當(dāng)前火星植被研究的兩種主要方向及其局限性。*方向一：火星模擬環(huán)境中的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。主要通過(guò)在地球上的模擬火星環(huán)境設(shè)施（如生物穹頂、溫室）中種植地球植物，研究植物在模擬低氣壓、高輻射、低溫、有限營(yíng)養(yǎng)和光照等條件下的生長(zhǎng)反應(yīng)、生理適應(yīng)機(jī)制，并測(cè)試不同的生長(zhǎng)控制技術(shù)。局限性：模擬環(huán)境與真實(shí)火星存在差異（如大氣成分、土壤真實(shí)性、輻射類(lèi)型強(qiáng)度等），實(shí)驗(yàn)結(jié)果的外推性有限；研究的是地球植物，而非火星本土（如果存在）植物。*方向二：尋找火星土壤中古菌等微生物生命的證據(jù)，間接推斷植被可能性。主要通過(guò)分析火星土壤樣本中的微生物群落結(jié)構(gòu)、功能基因、生物標(biāo)志物等，了解火星表層或淺層土壤是否存在生命，并評(píng)估其可能的代謝活動(dòng)范圍。局限性：即使發(fā)現(xiàn)微生物，也無(wú)法直接證明存在更復(fù)雜的植物生命；火星的極端環(huán)境（如強(qiáng)紫外線(xiàn)、氧化性土壤）可能限制復(fù)雜生命的存在，微生物只是最低形式生命的可能證據(jù)。四、論述題1.分析火星土壤作為未來(lái)基地建設(shè)材料的潛在優(yōu)勢(shì)與必須克服的技術(shù)難題。*潛在優(yōu)勢(shì)：*資源豐富且易獲?。夯鹦潜砻娓采w了大量土壤和風(fēng)化層，相對(duì)容易通過(guò)挖掘等方式獲取。*可能降低運(yùn)輸成本：利用本地資源（In-SituResourceUtilization,ISRU）制造建筑材料，可以顯著減少?gòu)牡厍蜻\(yùn)輸建材的昂貴費(fèi)用和發(fā)射重量。*部分土壤成分有利：某些火星土壤含有黏土礦物等，可能具有一定的可塑性，經(jīng)過(guò)處理可作為建筑材料的基礎(chǔ)。*必須克服的技術(shù)難題：*土壤的惰性和低強(qiáng)度：火星土壤通常缺乏有機(jī)質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散，黏聚力差，直接作為結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度不足，難以建造堅(jiān)固的建筑物。*高鹽分和化學(xué)成分未知：土壤中含有高氯酸鹽、硫酸鹽等可溶性鹽類(lèi)，可能對(duì)金屬材料有腐蝕作用，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能也有負(fù)面影響，需要進(jìn)行長(zhǎng)期暴露測(cè)試和耐久性評(píng)估。*物理性質(zhì)不利：土壤的高孔隙度導(dǎo)致其導(dǎo)熱性差（保溫效果好但也難快速加熱/冷卻），且可能含有易吸濕膨脹的成分，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。*處理和改造難度大：需要開(kāi)發(fā)有效的土壤處理技術(shù)（如去除鹽分、改良結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)強(qiáng)度等），這可能需要消耗大量能源和水資源，并產(chǎn)生廢棄物。*輻射防護(hù)問(wèn)題：僅靠土壤層提供足夠的輻射屏蔽效果可能需要很厚的墻體，增加結(jié)構(gòu)重量和材料需求。2.探討利用生物技術(shù)（如基因工程）改造植物以適應(yīng)火星環(huán)境可能面臨的挑戰(zhàn)與前景。*可能面臨的挑戰(zhàn)：*極端環(huán)境的復(fù)雜性：火星環(huán)境是多因素疊加的極端條件（低溫、強(qiáng)紫外線(xiàn)、高能粒子輻射、低氣壓、有毒土壤成分、稀缺且間歇性水分），單一基因改造可能不足以應(yīng)對(duì)，需要多基因協(xié)同作用，其調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)。*基因編輯技術(shù)的可靠性：在低重力、強(qiáng)輻射環(huán)境下，基因編輯過(guò)程（如CRISPR的遞送和效率）可能面臨挑戰(zhàn)，且脫靶效應(yīng)（非預(yù)期基因修改）的風(fēng)險(xiǎn)需要嚴(yán)格控制。*生存不等于繁衍：即使植物能在火星環(huán)境中生存，也未必能成功開(kāi)花結(jié)果、完成繁殖周期，建立可持續(xù)的種群。*生理與形態(tài)的協(xié)調(diào)：改造后的植物需要在極端環(huán)境下保持必要的生長(zhǎng)速率、光合效率，并可能需要適應(yīng)低氣壓下的氣體交換，生理和形態(tài)需要高度協(xié)調(diào)。*倫理與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：基因改造生物的釋放可能帶來(lái)未知生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和倫理考量。*前景：*提供食物和氧氣：適應(yīng)火星環(huán)境的植物可以為基地提供可食用農(nóng)產(chǎn)品和通過(guò)光合作用釋放氧氣，是實(shí)現(xiàn)基地生態(tài)自給自足的關(guān)鍵。*生物修復(fù)：某些改造的植物可能有助于吸收土壤中的有毒物質(zhì)，或固定空氣中的二氧化碳，輔助改善基地環(huán)境。*科學(xué)研究：培育適應(yīng)極端環(huán)境的植物模型，有助于深化對(duì)生命適應(yīng)機(jī)制的科學(xué)理解。*技術(shù)進(jìn)步：基因編輯技術(shù)在太空育種中的應(yīng)用，可能推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和成熟。3.結(jié)合當(dāng)前火星探測(cè)任務(wù)（如毅力號(hào)、祝融號(hào)等）取得的成果，論述火星土壤與植被研究對(duì)理解火星宜居性及未來(lái)探索的意義。*毅力號(hào)（Perseverance）探測(cè)成果的意義：*土壤（風(fēng)化層）分析：毅力號(hào)在Jezero火山口沉積物中采集的土壤樣本返回地球分析，發(fā)現(xiàn)了豐富的有機(jī)分子證據(jù)，包括碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素組合，以及一些特定的有機(jī)官能團(tuán)。這些發(fā)現(xiàn)為火星過(guò)去可能存在生命（甚至包括較復(fù)雜的生命形式）提供了強(qiáng)有力的線(xiàn)索，深化了對(duì)火星宜居性歷史演變的理解。同時(shí)，對(duì)其礦物組成（如高含量的氧化鐵）和物理性質(zhì)（如土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）的分析，揭示了火星表面的風(fēng)化過(guò)程和環(huán)境特征。*祝融號(hào)（Tianwen-1）探測(cè)成果的意義：*土壤（土壤）分析：祝融號(hào)對(duì)火星表面的土壤成分進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)土壤中含有豐富的氧化鐵、硅酸鹽、磷酸鹽等，成分與地球沙漠土壤相似，但也含有一些特殊成分。其測(cè)年結(jié)果（如探測(cè)到古代三角洲沉積物）表明，該區(qū)域過(guò)去可能存在液態(tài)水環(huán)境，為火星的宜居性提供了區(qū)域性證據(jù)。土壤分析數(shù)據(jù)有助于理解火星表面的物質(zhì)組成、風(fēng)化歷史和潛在資源分布。*土壤與植被研究對(duì)理解宜居性的綜合意義：*評(píng)估環(huán)境條件：土壤分析直接揭示了火星的地質(zhì)化學(xué)背景、物理特性（如粉塵特性、水冰分布潛力），這些都是評(píng)估火星宜居性（包括溫度、濕度、化學(xué)成分、液態(tài)水存在與否）的關(guān)鍵參數(shù)。*尋找生命證據(jù)：土壤是尋找過(guò)去或現(xiàn)存微生物生命跡象的主要場(chǎng)所，通過(guò)分析土壤中的生物標(biāo)志物、微生物群落特征，可以直接或間接評(píng)估火星的生命潛力。