月球表面的第一抹生命綠色
——探秘“嫦娥四號(hào)”上的“月面微型生態(tài)圈”

文/沐沐

2018年12月8日凌晨，由教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)”深空中心”)組織、重慶大學(xué)牽頭設(shè)計(jì)的“生物科普試驗(yàn)載荷”項(xiàng)目搭乘“嫦娥四號(hào)”的便車(chē)，展開(kāi)了一次前所未有的旅行。

時(shí)隔一個(gè)月，該生物科普載荷試驗(yàn)發(fā)布了一系列照片，公布了試驗(yàn)搭載的棉花種子從發(fā)出胚根到長(zhǎng)出嫩芽的過(guò)程。這是在經(jīng)歷月球低重力、強(qiáng)輻射、高溫差等嚴(yán)峻環(huán)境考驗(yàn)后，月球上長(zhǎng)出的第一株植物嫩芽，也是月球表面的第一抹“生命綠色”。

人類(lèi)航天活動(dòng)開(kāi)展了幾十年，動(dòng)植物上天早已不是新鮮事，但在月球表面開(kāi)展生物學(xué)試驗(yàn)尚屬首次。而且與去年國(guó)際空間站開(kāi)出的外太空第一朵花不同，本次“月面微型生態(tài)圈”試驗(yàn)位置距離地球38萬(wàn)公里，比離地300多公里的國(guó)際空間站遙遠(yuǎn)得多，所處月面環(huán)境也比國(guó)際空間站內(nèi)部復(fù)雜得多。那么試驗(yàn)究竟是怎樣的呢？下面我們一起來(lái)看看吧。

為什么送上月球？

為了充分發(fā)揮探月工程的牽引帶動(dòng)作用，激發(fā)社會(huì)公眾和青少年探索宇宙的熱情，2015年，國(guó)家國(guó)防科工局、教育部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科協(xié)、共青團(tuán)中央五部委聯(lián)合舉辦了“我心向月”月球探測(cè)載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)征集活動(dòng)，首次面向全國(guó)大、中學(xué)生和科技愛(ài)好者征集創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)初選、院士專(zhuān)家組初評(píng)、公眾網(wǎng)絡(luò)投票、公示、院士專(zhuān)家組終評(píng)等層層篩選，來(lái)自重慶大學(xué)的“月面微型生態(tài)圈科普載荷”項(xiàng)目憑借其“創(chuàng)新性突出”“科普效果好”的特點(diǎn)，在257個(gè)創(chuàng)想中脫穎而出，成為備選方案之一，后經(jīng)探月工程“兩總”系統(tǒng)研究確定為“嫦娥四號(hào)”搭載載荷，并命名為“生物科普試驗(yàn)載荷”。

該項(xiàng)目由教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心主任、中國(guó)工程院副院長(zhǎng)鐘志華院士首先以微型生態(tài)系統(tǒng)為雛形提出創(chuàng)意，后由教育部深空探測(cè)中心組織、重慶大學(xué)牽頭設(shè)計(jì)。

科普，是本次載荷項(xiàng)目最基本也是最重要的使命。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究生物在月球低重力、強(qiáng)輻射、自然光照條件下動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)，為人類(lèi)今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，該項(xiàng)目希望通過(guò)生物科普載荷試驗(yàn)的實(shí)施，推動(dòng)生物學(xué)知識(shí)的普及，加深普通民眾對(duì)生物學(xué)原理的了解；宣傳我國(guó)探月工程成果，激發(fā)人們對(duì)宇宙探索和科學(xué)研究的興趣，提高人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

▲“我心向月”月球探測(cè)載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)頒獎(jiǎng)典禮

“這是人類(lèi)第一次在月面上做生物生長(zhǎng)試驗(yàn)，以前科學(xué)家在空間站以及其他航天器上開(kāi)展過(guò)多次生物試驗(yàn)，但月球上還從未有過(guò)。生物科普載荷試驗(yàn)已初步實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次月面生物試驗(yàn)，在荒蕪的月球上培育出第一株植物嫩芽，并隨時(shí)間的推移，成功實(shí)現(xiàn)人類(lèi)有史以來(lái)第一片在月球生長(zhǎng)的綠葉，對(duì)人類(lèi)今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，具有重大意義。”教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心副主任、生物科普試驗(yàn)載荷總設(shè)計(jì)師、重慶大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院院長(zhǎng)謝更新說(shuō)。

小罐子里乾坤大

月球上要空氣沒(méi)空氣，要水沒(méi)水，缺少大氣層和磁場(chǎng)的保護(hù)，在月球的每個(gè)角落都充滿了宇宙射線和高能粒子，更可怕的是最大溫差達(dá)到300攝氏度！而且試驗(yàn)正式啟動(dòng)前，“月面微型生態(tài)圈” 承受巨大的壓力，沖破重重困難，陪伴著“嫦娥四號(hào)”歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)29天的奔襲，之后還經(jīng)歷了月晝一天中最高的溫度。

這樣的情況下，棉花種子竟然還能長(zhǎng)出嫩芽，稱(chēng)之為奇跡絕不為過(guò)。那么，這個(gè)奇跡是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

首先我們來(lái)看看這個(gè)承載了“月面微型生態(tài)圈”的小罐子。

由于載荷大小和重量均有嚴(yán)格限制，這個(gè)小罐子并不大，是由一種特殊鋁合金材料制成的，罐子是圓柱形的，高18厘米，直徑16厘米，凈容積約0.8升，總重量為2.608千克。罐子表面還貼有中國(guó)國(guó)旗。

▲月面微型生態(tài)圈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

▲月面微型生態(tài)圈示意圖

別看外表簡(jiǎn)單，這個(gè)罐體技術(shù)含量其實(shí)很高，它是一個(gè)高度密封的抗壓容器，而且特別針對(duì)長(zhǎng)期零下57℃低溫微弱漏氣現(xiàn)象采取了密封材料性能優(yōu)化等多種方法。

罐子這么小，里面有什么呢？

最重要的當(dāng)然是試驗(yàn)對(duì)象——馬鈴薯種子、擬南芥種子、油菜種子、棉花種子、果蠅卵、酵母6種生物。此外，還有18毫升水、培養(yǎng)基、土壤、空氣，以及兩個(gè)記錄生物生長(zhǎng)狀態(tài)的相機(jī)。

“麻雀雖小五臟俱全”，為了給載荷內(nèi)生物營(yíng)造一個(gè)適宜生存的環(huán)境，載荷罐體還分別裝置了“空調(diào)系統(tǒng)”、光導(dǎo)管和水倉(cāng)室，包括制冷片、加熱片，以及控制元器件等多種物品。

要保證科普載荷“月面微型生態(tài)圈”能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，難點(diǎn)在于溫度的控制和能源的供給。

為了讓“罐子”里保持穩(wěn)定的適宜生物生存的溫度，科學(xué)家們給“月面微型生態(tài)圈”穿上保溫服并裝了空調(diào)。他們通過(guò)20多次的熱方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化，最終確定了通過(guò)半導(dǎo)體制冷器、電加熱器、散熱片及隔熱措施相結(jié)合的方式，對(duì)科普載荷內(nèi)部進(jìn)行智能化溫度控制。

聚酯薄膜做成的保溫層提供保溫，半導(dǎo)體冷熱片進(jìn)行調(diào)溫，這些都不需要額外提供能源。但是電加熱器之類(lèi)電器卻需要“電”才能運(yùn)行。

而受限于重量控制，小罐子里并沒(méi)有帶上普通的蓄電池，太空艙也不會(huì)給“罐子”供電，因此，“月面微型生態(tài)圈”需要自己解決能源問(wèn)題。能源從哪里來(lái)呢？答案非常簡(jiǎn)單——太陽(yáng)能。

通過(guò)純物理的辦法，沒(méi)有任何污染地進(jìn)行溫控，是一種非常好的環(huán)境保護(hù)方式。

除了溫度控制，其他用電的地方也不少。此次試驗(yàn)的重要作用之一就是科普，為了全程記錄這一過(guò)程，并與地球試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，借以向青少年和宇宙探索愛(ài)好者來(lái)進(jìn)行科普宣傳，照相機(jī)必不可少，將數(shù)據(jù)傳回地球也同樣需要能源，太陽(yáng)能就為他們提供了可靠的能源保障。

除了供電，太陽(yáng)能最為眾所周知的作用——光合作用在這里更是不能少，它是通過(guò)光導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)的。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多次試驗(yàn)解決了壓力問(wèn)題，在罐子頂部開(kāi)了一個(gè)口子，通過(guò)光導(dǎo)管引進(jìn)月球表面自然光線，提供植物光合作用所需光線，也為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造環(huán)境。罐體內(nèi)，動(dòng)植物通過(guò)載荷頂部蓋板上的光導(dǎo)管吸收月面自然光，完全接受月球的光照環(huán)境，實(shí)現(xiàn)月面原位資源利用。

水是生命之源，所以要實(shí)現(xiàn)生命生長(zhǎng)甚至生態(tài)循環(huán)，水是必不可少的。

小罐子里的水倉(cāng)室攜帶了一個(gè)裝有18毫升生物專(zhuān)用水的水袋和電磁泵，著陸器落月并加電后，接到地面指令讓電磁泵工作，將水袋中的水通過(guò)水管釋放到生物艙表面，為生物生長(zhǎng)提供水分。

不過(guò)在月面放水也不是那么容易的。月球上的重力僅為地球的1/6，不一定會(huì)按照地球上的標(biāo)準(zhǔn)放水，而水放得過(guò)早或者過(guò)晚都不好。因此科學(xué)家們用添加劑堵住了水管的出水口，滿足一定條件后這個(gè)口才能打開(kāi)，把水放出來(lái)。

另外，攝像頭和傳感器也很重要。從發(fā)射準(zhǔn)備到飛行登月，中間大約會(huì)有兩個(gè)月時(shí)間。為了讓動(dòng)植物不在途中就開(kāi)始生長(zhǎng)，科學(xué)家們進(jìn)行了大量相關(guān)試驗(yàn)，以保證動(dòng)植物在旅途中沉睡，到達(dá)月球后再被喚醒。發(fā)射后不能人為遙控操作，只能通過(guò)攝像頭和傳感器進(jìn)行觀測(cè)。

別看只是一個(gè)小小的以科普為主的載荷，這個(gè)小罐子的成本造價(jià)在千萬(wàn)元以上，單相機(jī)就高達(dá)60萬(wàn)元。在短短兩年的時(shí)間里，它經(jīng)歷了幾十次修改，涉及了機(jī)械、材料、動(dòng)力、電氣、電子、土木、資源環(huán)境、生物工程等領(lǐng)域的交叉融合，包括了許多關(guān)鍵技術(shù)，集合了國(guó)內(nèi)外的一系列優(yōu)勢(shì)資源。哪怕只是一架相機(jī)，也要有在抗輻射抗低溫高濕度環(huán)境下工作的特殊性能，整個(gè)罐子里40多個(gè)主要零部件，都體現(xiàn)了現(xiàn)今中國(guó)最尖端的技術(shù)。

▲“月球微型生態(tài)圈”的選培育

6種生物怎么選的？

大家都知道，“月面微型生態(tài)圈”里搭載了6種生物——馬鈴薯種子、擬南芥種子、油菜種子、棉花種子、果蠅卵、酵母。那么這看似簡(jiǎn)單的6種生物，是如何戰(zhàn)勝了地球上的其他諸多物種，最終成為首次登上月球背面的幸運(yùn)兒的呢？

由于載荷大小有限，搭載的動(dòng)植物不能占用過(guò)多空間，此次科普試驗(yàn)的生物物種篩選有著非常嚴(yán)苛的要求。能登上月球的“旅客”，首要條件就是“個(gè)子小”。其次，由于月球表面低重力、強(qiáng)輻射、高溫差等極端條件限制，要求動(dòng)植物能耐高溫、耐凍，并能抗輻射和抗干擾。

▲月面微型生態(tài)圈模型內(nèi)部

重慶大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院太空生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了本次科普載荷生物模塊研制任務(wù)后，從云南深山懸崖到新疆沙漠地區(qū)，四處尋找能夠滿足條件的生物物種。他們進(jìn)行了上百次物種篩選和無(wú)數(shù)次生物試驗(yàn)，最終從糧、棉、油等人類(lèi)賴(lài)以生存的最基本需求方向出發(fā)，選擇了馬鈴薯、棉花、油菜和擬南芥種子，以及果蠅卵和酵母。

隨著太空探索的一步步深入，載人探索任務(wù)也將面臨著由短期變?yōu)殚L(zhǎng)期的挑戰(zhàn)，而航天員的吃飯問(wèn)題將是必須解決的一個(gè)大課題。馬鈴薯是最為大眾熟悉且接受的食物之一，且極易生長(zhǎng)，所以很可能是以后在太空中的主食，試驗(yàn)價(jià)值重大。而這次選擇的馬鈴薯是特別培育的“小個(gè)子”品種。

棉花本身適應(yīng)高溫發(fā)芽，它的種植就在夏季，所以不懼怕高溫。因此，棉花才能在本次試驗(yàn)中首先發(fā)芽。

油菜作為重要的油料作物，是太空食物中不可或缺的油料保障。

擬南芥、酵母菌和果蠅都是生命科學(xué)領(lǐng)域重要的模式生物。它們因生長(zhǎng)周期短，能夠在短時(shí)間內(nèi)展示完整的生命過(guò)程而入選。

▲擬南芥

擬南芥開(kāi)花周期短，從發(fā)芽到開(kāi)花只需1 個(gè)月。酵母菌在有氧環(huán)境下進(jìn)行有氧呼吸，氧氣含量較低時(shí)又進(jìn)行厭氧呼吸，能在方寸之間調(diào)節(jié)氧氣和二氧化氮濃度。

而果蠅作為第一個(gè)進(jìn)入太空的動(dòng)物物種，其試驗(yàn)價(jià)值更是非常大。從基因上看，智人與果蠅的共同點(diǎn)多到超乎你的想象。在所有致病基因中，約有75%的基因與果蠅的遺傳密碼有類(lèi)似之處。

在選擇的過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)還曾考慮過(guò)烏龜、蜜蜂、蚯蚓等物種，后來(lái)因?yàn)楹难趿勘容^大等原因放棄了。

這6種被選中的生物，除本身的特性外，彼此之間還構(gòu)成一個(gè)含有生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的微型生態(tài)系統(tǒng)。其中，植物生產(chǎn)氧氣和食物，供所有生物“消費(fèi)”；作為消費(fèi)者的果蠅和分解者的酵母，通過(guò)消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，供植物進(jìn)行光合作用。此外，酵母可以分解植物和果蠅廢棄物而生長(zhǎng)，酵母又可以作為果蠅的食物。

這一整個(gè)微型生態(tài)系統(tǒng)，均放置于密封的生物科普試驗(yàn)載荷罐內(nèi)。地面組裝合蓋過(guò)程中，所有生物裝載操作均在嚴(yán)格無(wú)菌環(huán)境的超凈工作臺(tái)中進(jìn)行，確保全過(guò)程無(wú)生物污染。

▲酵母細(xì)胞

▲土豆

▲棉花

▲油菜種子

試驗(yàn)過(guò)程

2018年12月8日凌晨，生物科普試驗(yàn)載荷項(xiàng)目隨嫦娥四號(hào)探測(cè)器從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心出征。

2019年1月3日23點(diǎn)18分，“嫦娥四號(hào)”登陸月球第一天，在經(jīng)歷發(fā)射和著落等階段嚴(yán)酷的力學(xué)考驗(yàn)后，生物科普試驗(yàn)載荷加電開(kāi)機(jī)并啟動(dòng)主相機(jī)拍照。23點(diǎn)48分，在地面控制中心發(fā)送放水指令后，植物種子和果蠅蟲(chóng)卵結(jié)束近一個(gè)月的休眠狀態(tài)，進(jìn)入生物月面生長(zhǎng)發(fā)育模式。

▲上太空不死的果蠅

1月5日20點(diǎn)，地面接收數(shù)據(jù)顯示載荷內(nèi)棉花種子已經(jīng)發(fā)育為胚根。

1月7日傳回的照片顯示，生物科普試驗(yàn)載荷內(nèi)的植物長(zhǎng)勢(shì)喜人，棉花種子已經(jīng)長(zhǎng)出了嫩芽，成為自古以來(lái)月面上第一株發(fā)芽的植物。這表明該項(xiàng)科普試驗(yàn)載荷經(jīng)受住了月面殘酷環(huán)境的考驗(yàn)，只要條件合適，地球植物也能夠在月面低重力、強(qiáng)輻射、高溫差的嚴(yán)峻環(huán)境中頑強(qiáng)生長(zhǎng)。

1月12日20點(diǎn)03分34秒，地面發(fā)送生物科普試驗(yàn)載荷斷電指令，載荷正常關(guān)機(jī)。

之后，生物科普試驗(yàn)載荷進(jìn)入斷電狀態(tài)，在月夜溫度零下52℃的情況下，載荷內(nèi)部所攜帶的6種生物結(jié)束本次科普試驗(yàn)使命，處于冷凍狀態(tài)。

下一個(gè)月晝期溫度上升后，在全封閉狀態(tài)的生物科普試驗(yàn)載荷罐中，6種生物被慢慢分解成無(wú)害的有機(jī)物，并將被永久封存在生物科普試驗(yàn)載荷內(nèi)部。

“從開(kāi)機(jī)至斷電，生物科普試驗(yàn)載荷在軌工作狀態(tài)良好，累計(jì)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)212.75小時(shí)，主副相機(jī)累計(jì)拍照34次，下傳照片170多幅。與整器保持良好的持續(xù)通信狀態(tài)，并實(shí)時(shí)傳回溫度、電壓、氣壓等各項(xiàng)遙測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)照片數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)分析，設(shè)備內(nèi)部水已完全浸潤(rùn)土壤，溫度、壓力等完全符合生物生長(zhǎng)發(fā)育的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，部分指標(biāo)超過(guò)預(yù)期。”謝更新教授介紹。

▲月面長(zhǎng)出的第一株嫩芽

▲地面開(kāi)放環(huán)境對(duì)照

為進(jìn)一步凸顯本次生物科普試驗(yàn)載荷的科研和科普價(jià)值，生物科普試驗(yàn)載荷項(xiàng)目組同時(shí)在重慶大學(xué)開(kāi)展了地、月對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)（密閉空間）在地球、月球不同條件下以及在地面自然條件下（開(kāi)放空間）的生長(zhǎng)發(fā)育情況進(jìn)行對(duì)比。

1月3日23點(diǎn)50分，地面試驗(yàn)載荷與月表載荷同步注水，對(duì)照試驗(yàn)正式開(kāi)始。整個(gè)地面對(duì)照試驗(yàn)全程以在軌工作的生物科普試驗(yàn)載荷傳回的溫度作為參考，地面對(duì)照通過(guò)控溫，與在軌工作溫度保持一致。

▲月球基地幻想圖

截至1月12日，地面對(duì)照試驗(yàn)罐體內(nèi)已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)棉花、油菜種子萌發(fā)，且長(zhǎng)勢(shì)良好，可觀察到嫩綠的子葉。開(kāi)放環(huán)境下，可見(jiàn)油菜、棉花和馬鈴薯種子萌芽，幼苗呈茂盛生長(zhǎng)趨勢(shì)。

試驗(yàn)成功了嗎？

“月面微型生態(tài)圈”里明明有6種生物，而且這6種生物構(gòu)成了一個(gè)含有生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的微型生態(tài)系統(tǒng)。也就是說(shuō)，“月面微型生態(tài)圈”提供了6種生物全面生長(zhǎng)的條件，現(xiàn)在只有棉花種子發(fā)芽了，而且“嫩芽”明明死了，為什么說(shuō)試驗(yàn)成功了呢？

這就好像學(xué)生升學(xué)的時(shí)候，體育成績(jī)的要求是達(dá)標(biāo)就可以了，但是測(cè)驗(yàn)的時(shí)候卻會(huì)留出優(yōu)秀甚至滿分的空間，并不會(huì)達(dá)標(biāo)了就不允許繼續(xù)發(fā)揮了。現(xiàn)在我們的“月面微型生態(tài)圈”就是這樣。

生物物種的嚴(yán)苛篩選是為了在有限的條件下盡可能地建立微型生態(tài)系統(tǒng)，以提供“優(yōu)”甚至“滿分”的實(shí)現(xiàn)空間。俄羅斯專(zhuān)家舍夫琴科稱(chēng)：“如果中國(guó)專(zhuān)家制造的封閉式生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作起來(lái)，那么未來(lái)，航天員登月就不再需要攜帶水、空氣，一切都將就地實(shí)現(xiàn)?！钡敬屋d荷試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)在月球表面環(huán)境下植物種子發(fā)芽或幼蟲(chóng)成長(zhǎng)為最低目標(biāo)。

棉花種子長(zhǎng)出嫩芽，就已經(jīng)達(dá)標(biāo)了。它驗(yàn)證了人類(lèi)是能夠在低重力、強(qiáng)輻射的月球表面，在月球自然光照條件下培養(yǎng)植物并生長(zhǎng)出第一片綠葉，為人類(lèi)今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。以“科普”為出發(fā)點(diǎn)的此次試驗(yàn)已經(jīng)成功地完成了它的科普使命。所以說(shuō)，這次的試驗(yàn)是成功的。

棉花種子發(fā)芽實(shí)現(xiàn)了月球表面生物生長(zhǎng)的零的突破，但發(fā)芽已屬不易，客觀條件上并不能保障嫩芽繼續(xù)生長(zhǎng)。想要在月球表面種植出能夠結(jié)果的植物，更是還有很長(zhǎng)的一段路要走。

此次試驗(yàn)所取得的全部數(shù)據(jù)在維也納與世界各國(guó)進(jìn)行了分享、討論，試驗(yàn)結(jié)果得到了國(guó)外科學(xué)家的熱烈贊美。

全程關(guān)注本次試驗(yàn)的國(guó)外科學(xué)家表示：“這次生物試驗(yàn)將載入史冊(cè)，棉花嫩芽雖然無(wú)法熬過(guò)月球漫長(zhǎng)的寒夜，但它的誕生永遠(yuǎn)值得我們銘記，為之自豪?！?/p>