《火星救援》可能嗎？ 我曾在類(lèi)似環(huán)境中生活105天

董琛

羊年歲末，我身在德國(guó)宇航中心（DeutschesZentrum fur Luft und Raumfahrt，DLR），有天，一位編輯朋友突然和我聊到正在熱映的電影《火星救援》。原來(lái)是看到片中宇航員、植物學(xué)家Mark.Watney用盡各種方法種植小土豆（每個(gè)作物品種都有唯一拉丁名，小土豆是為了區(qū)別于普通土豆），建立小溫室，靠自己的力量在火星求生存，直到獲得救援，編輯想到了我在“月宮一號(hào)”的日子。編輯問(wèn)我：電影中的故事可能嗎？未來(lái)會(huì)發(fā)生嗎？我說(shuō)，也許會(huì)吧！

有了生物再生命保障系統(tǒng)，火星就不再是荒野求生

《火星救援》里宇航員Mark.Watney在惡劣的風(fēng)暴中幸運(yùn)地活了下來(lái)，不幸的是他發(fā)現(xiàn)自己成了留在火星上的唯一的人。萬(wàn)幸，Mark是一名植物學(xué)家，他將居住艙變成土豆農(nóng)場(chǎng)，使自己在火星上支撐了近500天，等到了組員的返程救援。

這部電影用紀(jì)實(shí)手法來(lái)表現(xiàn)科幻，從而給我們?cè)斐闪艘环N“發(fā)生在當(dāng)下”的真實(shí)感。在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）組織救援行動(dòng)的過(guò)程中，我們可以看到NASA形形色色的眾多角色、部門(mén)和場(chǎng)所。即使“500天”的確定，可能是電影人受了2010年6月～2011年11月在莫斯科由俄羅斯組織、多國(guó)參與的國(guó)際大型試驗(yàn)項(xiàng)目“火星500”的啟發(fā)。此外，公認(rèn)的空間飛行任務(wù)最優(yōu)人數(shù)一般為6人，現(xiàn)在近地軌道運(yùn)行的國(guó)際空間站常駐宇航員人數(shù)也為6名，電影中設(shè)計(jì)6位航天員登陸火星符合目前最科學(xué)的航天器承載人數(shù)。他們?cè)谛詣e比例、能力專(zhuān)長(zhǎng)的組合方面，也符合當(dāng)今選拔宇航員的國(guó)際規(guī)則。第一代航天員一般都出自空軍飛行員，全為男性。后來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到空間飛行任務(wù)的復(fù)雜性和長(zhǎng)期性，慢慢開(kāi)始吸收工程師、醫(yī)生及女性加入到航天員隊(duì)伍中，共同應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的空間飛行任務(wù)。我國(guó)航天員的選拔過(guò)程，也遵循著這一大概路線，相信不久的未來(lái)，再次執(zhí)行空間飛行任務(wù)的我國(guó)宇航員中會(huì)出現(xiàn)像Mark一樣的植物學(xué)家，或是像Dr.Chris Beck一樣的醫(yī)生。

再說(shuō)說(shuō)種植小土豆的橋段。根據(jù)NASA的火星研究，火星土壤除了缺乏氮元素，其他成分與地球土壤很相似，于是Mark用自己的糞便混入了火星上的土壤，使其富含氮元素，土壤的問(wèn)題得以解決。之后是作物生長(zhǎng)必須的水，為了采集水，Mark從火星登陸艙的火箭燃料中分解出氫氣，再混上氧氣。宇航員在星際旅行時(shí)是不能帶普通的點(diǎn)火設(shè)備的，Mark就把隊(duì)員遺留下來(lái)的一個(gè)木質(zhì)掛件削出很多木屑，弄出了火，點(diǎn)燃了混合氣，經(jīng)歷過(guò)一次實(shí)驗(yàn)失敗爆炸后，他終于得到了水。那么，理論上可以種土豆了，影片中的確這樣種了，并且成功了。但在我看來(lái)，也許沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，即使利用糞便做肥料，也不能直接種植作物，必須經(jīng)過(guò)發(fā)酵腐熟，腐熟不完全的肥料極易造成“燒苗”，讓植物脫水死亡，而腐熟過(guò)程就需要特定發(fā)酵微生物的作用，火星上的發(fā)酵微生物在哪呢？當(dāng)然，電影不是精確的科研，拋給觀眾一個(gè)啟發(fā)概念也許就足夠了。

影片的核心內(nèi)容是如何在火星上荒野求生，在給養(yǎng)告罄后如何填飽肚子。其實(shí)這正是我的研究方向之一——生物再生生命保障系統(tǒng)（Bioregenerative Life SupportSystem，BLSS）。早期國(guó)內(nèi)稱(chēng)之為受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)（Controlled Ecological LifeSupport System，CELSS），但是CELSS實(shí)際上是美國(guó)的一個(gè)BLSS地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的名稱(chēng)。后來(lái)，我們的國(guó)際同行們共同商議，定下了“生物再生生命保障系統(tǒng)”這個(gè)通用的名稱(chēng)。如果影片中宇航員們搭建起了這個(gè)系統(tǒng)，那么Mark的日子會(huì)好過(guò)得多了。

生物再生生命保障系統(tǒng)是基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建由植物、動(dòng)物、微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)。水和食物這些人類(lèi)生活所必需的物質(zhì)可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，并為乘員提供類(lèi)似于地球生物圈的生態(tài)環(huán)境。人進(jìn)入這個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)中，成為生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者鏈環(huán)同時(shí)發(fā)揮控制者的功能，構(gòu)成閉合人工生態(tài)系統(tǒng)。載人航天的目標(biāo)不只是近地軌道上的短期飛行，還有月球基地、火星基地和更加遙遠(yuǎn)的深空，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須依靠生物再生生命保障技術(shù)。

植物在生物再生生命保障系統(tǒng)中可以為人類(lèi)提供新鮮的空氣、潔凈的飲用水、富含營(yíng)養(yǎng)的食物和必須的精神慰藉等，是長(zhǎng)期載人空間飛行任務(wù)中必不可少的組成部分。為了活著，男主角Mark.Watney的解決方案是在棲息艙里開(kāi)辟土豆田。Mark能種土豆的重要前提是艙內(nèi)存有從地球帶來(lái)的生土豆，這是NASA為宇航員準(zhǔn)備的感恩節(jié)禮物。把火星土鋪進(jìn)棲息艙、耕出淺溝，把肥料和土豆埋進(jìn)去，然后造水種植。

為什么是土豆呢？因?yàn)橥炼怪胁粌H富含膳食纖維，營(yíng)養(yǎng)豐富，還有耐儲(chǔ)存的特點(diǎn)，讓宇航員Mark熬過(guò)了數(shù)百曰的生活。在我國(guó)，土豆多年來(lái)只被老百姓作為“蔬菜”食用，所以在我國(guó)的生物再生生命系統(tǒng)中為了適應(yīng)中國(guó)人的口味，起初未將土豆列入宇航員的主食。最近幾年，隨著中國(guó)航天人對(duì)土豆認(rèn)識(shí)的不斷深入，土豆已經(jīng)在中國(guó)的生物再生生命系統(tǒng)中占有一席之地了。目前，世界上諸多國(guó)家將土豆當(dāng)作主糧，比如歐洲國(guó)家人均年消費(fèi)量穩(wěn)定在50～60公斤，俄羅斯人均消費(fèi)量達(dá)到170多公斤。我國(guó)政府正在積極推進(jìn)“土豆主糧化”。土豆生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，不與小麥、水稻、玉米三大主糧搶水爭(zhēng)地，且產(chǎn)量高，能夠開(kāi)辟保障國(guó)家糧食安全的新途徑。

其實(shí)，2014年2月～5月，我也像Mark.Watney似的在密閉環(huán)境中生活了105天，只不過(guò)我沒(méi)有像他那樣在火星，而是在地球的“月宮一號(hào)”，用生物再生生命保障技術(shù)做了個(gè)“月球夢(mèng)”。

月宮一號(hào)，在北航的恢弘的新主樓映襯下，顯得很低調(diào)。但是，它的建立，使我國(guó)在生物再生生命保障領(lǐng)域的研究水平進(jìn)入到國(guó)際最先進(jìn)行列。

人在宇宙中要如何生活？對(duì)，是生活。長(zhǎng)時(shí)間的、有質(zhì)量保障的生活。

總是從地面運(yùn)送補(bǔ)給，成本高昂，還有可能失敗。2014年10月底，安塔瑞斯火箭在發(fā)射點(diǎn)火時(shí)爆炸，2015年4月底，聯(lián)盟-2.1A火箭在與進(jìn)步M-27M貨運(yùn)飛船分離前爆炸，6月底獵鷹9號(hào)火箭在升空148秒后爆炸……9個(gè)月內(nèi)國(guó)際空間站錯(cuò)過(guò)了三次補(bǔ)給，讓人擔(dān)憂航天員會(huì)否“斷糧”。最終，通過(guò)又一次貨運(yùn)飛船的發(fā)射，有驚無(wú)險(xiǎn)地解決了空間站的糧荒。

如果采用生物再生生命保障系統(tǒng)，航天員對(duì)外界的依賴(lài)將大大減小。因?yàn)?，載人飛行器進(jìn)入外太空后，氧氣、水和食物在系統(tǒng)內(nèi)能夠通過(guò)生物技術(shù)再生。

“月宮一號(hào)”就是這樣的一個(gè)人工閉合生態(tài)系統(tǒng)，它由1個(gè)綜合艙和2個(gè)植物艙組成。我和幾位志愿者乘員們?cè)诶锩孢^(guò)起“浪漫”的農(nóng)耕生活：種菜，養(yǎng)蟲(chóng)，自行加工食用。那些不能吃下肚的不可食生物量、人糞便還有食物殘?jiān)纫黄穑ㄟ^(guò)生物技術(shù)處理后，循環(huán)用于植物栽培；人、動(dòng)物和廢物處理產(chǎn)生的富二氧化碳空氣，經(jīng)過(guò)凈化后送達(dá)植物艙，提供植物光合作用所需氧料；植物艙產(chǎn)生的富氧空氣經(jīng)過(guò)凈化后，再送到綜合艙，讓人和動(dòng)物呼吸；植物蒸騰作用產(chǎn)生冷凝水，經(jīng)凈化后，可送到綜合艙變成人的生活用水，其他部分和凈化后的生活廢水還有尿液一起，用來(lái)栽培植物……

2014年5月20日上午10點(diǎn)18分，在北京航空航天大學(xué)校園內(nèi)，伴隨著眾人的掌聲，“月宮一號(hào)”的艙門(mén)緩緩開(kāi)啟，我與其他兩位志愿者微笑著從密閉艙中走出，標(biāo)志著105天的我國(guó)首次長(zhǎng)期多人密閉試驗(yàn)獲得圓滿成功?！霸聦m一號(hào)”試驗(yàn)的成功，對(duì)中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。太空中植物的作用

2015年，我獲得了教育部“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生”項(xiàng)目公派出國(guó)聯(lián)合培養(yǎng)的機(jī)會(huì)，在德國(guó)宇航中心作為“客座科學(xué)家”（Gastwissenschaftler）進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，參與針對(duì)空間站和南極科考站的生命保障研究。

2015年11月8～9日，我應(yīng)邀參加了在德國(guó)柏林舉行的Falling Walls Lab論壇，并作為全球遴選出的包括牛津大學(xué)、耶魯大學(xué)等高校的100位青年報(bào)告人（中國(guó)高校唯一代表），第三順位演說(shuō)了生物再生生命保障系統(tǒng)在未來(lái)空間科學(xué)領(lǐng)域的研究前景和意義，受到諾貝爾基金會(huì)主席、瑞典皇家科學(xué)院院士Carl-Henrik Heldin在內(nèi)的全球六百多位與會(huì)專(zhuān)家學(xué)者的好評(píng)。期間，還應(yīng)邀與歐洲航天局（European Space Agency，ESA）彗星探測(cè)器“菲萊”號(hào)總指揮Andrea Accomazzo進(jìn)行了40分鐘的開(kāi)放性公眾討論，受到德國(guó)當(dāng)?shù)孛襟w的采訪與熱評(píng)。

我在德國(guó)宇航中心的主要研究課題是針對(duì)國(guó)際空間站和德國(guó)諾伊邁爾川南極科考站的生命保障技術(shù)研究。現(xiàn)行的國(guó)際空間站是一個(gè)在近地軌道上運(yùn)行的科研設(shè)施，是人類(lèi)歷史上第9個(gè)載人的空間站。

說(shuō)白了，國(guó)際空間站就是一個(gè)建設(shè)在空間環(huán)境中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)的研究并不僅限于天文、物理等專(zhuān)業(yè)，也包括醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。那么對(duì)于在空間環(huán)境種植植物而言，最主要的意義是滿足科研需求，包括特殊空間環(huán)境（如失重、大氣組成、射線等）對(duì)于植物生長(zhǎng)的影響等，這些地球上很難模擬的環(huán)境有可能讓科學(xué)家們觀察到在傳統(tǒng)環(huán)境下錯(cuò)過(guò)的一些特性，也許會(huì)給人類(lèi)生命起源、物種進(jìn)化帶來(lái)更多的啟示。另外一個(gè)比較為人所知的例子便是太空育種，這個(gè)相關(guān)的介紹已經(jīng)很多。同時(shí)，宇航員種植蔬菜等作物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。很多從太空歸來(lái)的宇航員們都回憶說(shuō)，在漫長(zhǎng)緊張的太空考察中，他們會(huì)一連花幾個(gè)小時(shí)來(lái)觀賞這些賞心悅目的綠植以放松心情。

1990年代，俄羅斯科學(xué)家在空間站進(jìn)行了157天小麥循環(huán)栽培試驗(yàn)，小麥株高只有13厘米，每株只有1個(gè)穗，不分孽，但返回地面后又重現(xiàn)了原始性狀。這些看似神奇的發(fā)現(xiàn)，立刻引發(fā)了各國(guó)植物學(xué)、生態(tài)學(xué)家們的興趣，美國(guó)政府隨后加大科研投入，美國(guó)航空航天局（NASA）會(huì)同美國(guó)幾十所著名高校掀起了空間植物科學(xué)研究熱潮，肯尼迪宇航中心和佛羅里達(dá)大學(xué)等科研院所的科學(xué)家們對(duì)小麥、豌豆、生菜、擬南芥、洋蔥、玉米等植物進(jìn)行了多次飛行搭載試驗(yàn)，研究了從諸如光強(qiáng)、光周期、失重、溫度、干旱、輻射等環(huán)境條件對(duì)植物從宏觀生態(tài)反應(yīng)到微觀基因、蛋白表達(dá)譜的一系列研究，形成了從硬件栽培設(shè)備到軟件栽培參數(shù)等諸多專(zhuān)利與成果。

在太空種植作物，其長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮是未來(lái)人類(lèi)在執(zhí)行載人深空探索任務(wù)時(shí)，航天器內(nèi)的植物將成為生命保障系統(tǒng)的一部分。久處太空的宇航員需要富有營(yíng)養(yǎng)的新鮮蔬菜，以補(bǔ)充維生素和其他微量元素。培育蔬菜的“太空溫室”除了保證宇航員能吃到新鮮蔬菜，對(duì)改善空間站以及飛船內(nèi)的空氣及水交換也能起到重要作用。此外，空間站栽培植物還有標(biāo)記時(shí)間的作用，研究發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有日夜交替和季節(jié)變化的太空中生活，航天員容易失去生理節(jié)律，睡眠受到影響。太空溫室可以幫助宇航員調(diào)節(jié)自身節(jié)律，花開(kāi)花謝間宇航員看到了時(shí)間的流逝。“在太空中，植物是唯一隨時(shí)間變化而變化的存在?！敝参锏淖饔貌粏螁问菚r(shí)鐘——看著植物的變化比看時(shí)鐘帶來(lái)的時(shí)間體驗(yàn)更強(qiáng)烈。

放眼火星或小行星探測(cè)任務(wù)，太空農(nóng)業(yè)將變得更為重要。未來(lái)，太空農(nóng)業(yè)技術(shù)仍需取得重要突破，而且這類(lèi)創(chuàng)新技術(shù)將惠及地球農(nóng)業(yè)，研究植物在太空中的生長(zhǎng)情況或許有一天真的能夠徹底解決地球上的糧食缺乏問(wèn)題。

責(zé)任編輯：張蕾磊