《火星救援》可能嗎？ 我曾在類似環境中生活105天

董琛

羊年歲末，我身在德國宇航中心（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》。原來是看到片中宇航員、植物學家Mark.Watney用盡各種方法種植小土豆（每個作物品種都有唯一拉丁名，小土豆是為了區別于普通土豆），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”的日子。編輯問我：電影中的故事可能嗎？未來會發生嗎？我說，也許會吧！

有了生物再生命保障系統，火星就不再是荒野求生

《火星救援》里宇航員Mark.Watney在惡劣的風暴中幸運地活了下來，不幸的是他發現自己成了留在火星上的唯一的人。萬幸，Mark是一名植物學家，他將居住艙變成土豆農場，使自己在火星上支撐了近500天，等到了組員的返程救援。

這部電影用紀實手法來表現科幻，從而給我們造成了一種“發生在當下”的真實感。在美國國家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）組織救援行動的過程中，我們可以看到NASA形形色色的眾多角色、部門和場所。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、多國參與的國際大型試驗項目“火星500”的啟發。此外，公認的空間飛行任務最優人數一般為6人，現在近地軌道運行的國際空間站常駐宇航員人數也為6名，電影中設計6位航天員登陸火星符合目前最科學的航天器承載人數。他們在性別比例、能力專長的組合方面，也符合當今選拔宇航員的國際規則。第一代航天員一般都出自空軍飛行員，全為男性。后來，人們認識到空間飛行任務的復雜性和長期性，慢慢開始吸收工程師、醫生及女性加入到航天員隊伍中，共同應對復雜多變的空間飛行任務。我國航天員的選拔過程，也遵循著這一大概路線，相信不久的未來，再次執行空間飛行任務的我國宇航員中會出現像Mark一樣的植物學家，或是像Dr.Chris Beck一樣的醫生。

再說說種植小土豆的橋段。根據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，土壤的問題得以解決。之后是作物生長必須的水，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是不能帶普通的點火設備的，Mark就把隊員遺留下來的一個木質掛件削出很多木屑，弄出了火，點燃了混合氣，經歷過一次實驗失敗爆炸后，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，也許沒有這么簡單，即使利用糞便做肥料，也不能直接種植作物，必須經過發酵腐熟，腐熟不完全的肥料極易造成“燒苗”，讓植物脫水死亡，而腐熟過程就需要特定發酵微生物的作用，火星上的發酵微生物在哪呢？當然，電影不是精確的科研，拋給觀眾一個啟發概念也許就足夠了。

影片的核心內容是如何在火星上荒野求生，在給養告罄后如何填飽肚子。其實這正是我的研究方向之一——生物再生生命保障系統（Bioregenerative Life SupportSystem，BLSS）。早期國內稱之為受控生態生命保障系統（Controlled Ecological LifeSupport System，CELSS），但是CELSS實際上是美國的一個BLSS地基實驗系統的名稱。后來，我們的國際同行們共同商議，定下了“生物再生生命保障系統”這個通用的名稱。如果影片中宇航員們搭建起了這個系統，那么Mark的日子會好過得多了。

生物再生生命保障系統是基于生態系統原理將生物技術與工程控制技術有機結合，構建由植物、動物、微生物組成的人工生態系統。水和食物這些人類生活所必需的物質可在系統內循環再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態環境。人進入這個人工生態系統中，成為生態系統的消費者鏈環同時發揮控制者的功能，構成閉合人工生態系統。載人航天的目標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的深空，要實現這些目標，必須依靠生物再生生命保障技術。

植物在生物再生生命保障系統中可以為人類提供新鮮的空氣、潔凈的飲用水、富含營養的食物和必須的精神慰藉等，是長期載人空間飛行任務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辟土豆田。Mark能種土豆的重要前提是艙內存有從地球帶來的生土豆，這是NASA為宇航員準備的感恩節禮物。把火星土鋪進棲息艙、耕出淺溝，把肥料和土豆埋進去，然后造水種植。

為什么是土豆呢？因為土豆中不僅富含膳食纖維，營養豐富，還有耐儲存的特點，讓宇航員Mark熬過了數百曰的生活。在我國，土豆多年來只被老百姓作為“蔬菜”食用，所以在我國的生物再生生命系統中為了適應中國人的口味，起初未將土豆列入宇航員的主食。最近幾年，隨著中國航天人對土豆認識的不斷深入，土豆已經在中國的生物再生生命系統中占有一席之地了。目前，世界上諸多國家將土豆當作主糧，比如歐洲國家人均年消費量穩定在50～60公斤，俄羅斯人均消費量達到170多公斤。我國政府正在積極推進“土豆主糧化”。土豆生長環境要求不高，不與小麥、水稻、玉米三大主糧搶水爭地，且產量高，能夠開辟保障國家糧食安全的新途徑。

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

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

人在宇宙中要如何生活？對，是生活。長時間的、有質量保障的生活。

總是從地面運送補給，成本高昂，還有可能失敗。2014年10月底，安塔瑞斯火箭在發射點火時爆炸，2015年4月底，聯盟-2.1A火箭在與進步M-27M貨運飛船分離前爆炸，6月底獵鷹9號火箭在升空148秒后爆炸……9個月內國際空間站錯過了三次補給，讓人擔憂航天員會否“斷糧”。最終，通過又一次貨運飛船的發射，有驚無險地解決了空間站的糧荒。

如果采用生物再生生命保障系統，航天員對外界的依賴將大大減小。因為，載人飛行器進入外太空后，氧氣、水和食物在系統內能夠通過生物技術再生。

“月宮一號”就是這樣的一個人工閉合生態系統，它由1個綜合艙和2個植物艙組成。我和幾位志愿者乘員們在里面過起“浪漫”的農耕生活：種菜，養蟲，自行加工食用。那些不能吃下肚的不可食生物量、人糞便還有食物殘渣等一起，通過生物技術處理后，循環用于植物栽培；人、動物和廢物處理產生的富二氧化碳空氣，經過凈化后送達植物艙，提供植物光合作用所需氧料；植物艙產生的富氧空氣經過凈化后，再送到綜合艙，讓人和動物呼吸；植物蒸騰作用產生冷凝水，經凈化后，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，用來栽培植物……

2014年5月20日上午10點18分，在北京航空航天大學校園內，伴隨著眾人的掌聲，“月宮一號”的艙門緩緩開啟，我與其他兩位志愿者微笑著從密閉艙中走出，標志著105天的我國首次長期多人密閉試驗獲得圓滿成功。“月宮一號”試驗的成功，對中國航天事業的發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“國家建設高水平大學公派研究生”項目公派出國聯合培養的機會，在德國宇航中心作為“客座科學家”（Gastwissenschaftler）進行交流學習，參與針對空間站和南極科考站的生命保障研究。

2015年11月8～9日，我應邀參加了在德國柏林舉行的Falling Walls Lab論壇，并作為全球遴選出的包括牛津大學、耶魯大學等高校的100位青年報告人（中國高校唯一代表），第三順位演說了生物再生生命保障系統在未來空間科學領域的研究前景和意義，受到諾貝爾基金會主席、瑞典皇家科學院院士Carl-Henrik Heldin在內的全球六百多位與會專家學者的好評。期間，還應邀與歐洲航天局（European Space Agency，ESA）彗星探測器“菲萊”號總指揮Andrea Accomazzo進行了40分鐘的開放性公眾討論，受到德國當地媒體的采訪與熱評。

我在德國宇航中心的主要研究課題是針對國際空間站和德國諾伊邁爾川南極科考站的生命保障技術研究。現行的國際空間站是一個在近地軌道上運行的科研設施，是人類歷史上第9個載人的空間站。

說白了，國際空間站就是一個建設在空間環境中的科學實驗平臺，這個平臺的研究并不僅限于天文、物理等專業，也包括醫學、生物學等領域。那么對于在空間環境種植植物而言，最主要的意義是滿足科研需求，包括特殊空間環境（如失重、大氣組成、射線等）對于植物生長的影響等，這些地球上很難模擬的環境有可能讓科學家們觀察到在傳統環境下錯過的一些特性，也許會給人類生命起源、物種進化帶來更多的啟示。另外一個比較為人所知的例子便是太空育種，這個相關的介紹已經很多。同時，宇航員種植蔬菜等作物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。很多從太空歸來的宇航員們都回憶說，在漫長緊張的太空考察中，他們會一連花幾個小時來觀賞這些賞心悅目的綠植以放松心情。

1990年代，俄羅斯科學家在空間站進行了157天小麥循環栽培試驗，小麥株高只有13厘米，每株只有1個穗，不分孽，但返回地面后又重現了原始性狀。這些看似神奇的發現，立刻引發了各國植物學、生態學家們的興趣，美國政府隨后加大科研投入，美國航空航天局（NASA）會同美國幾十所著名高校掀起了空間植物科學研究熱潮，肯尼迪宇航中心和佛羅里達大學等科研院所的科學家們對小麥、豌豆、生菜、擬南芥、洋蔥、玉米等植物進行了多次飛行搭載試驗，研究了從諸如光強、光周期、失重、溫度、干旱、輻射等環境條件對植物從宏觀生態反應到微觀基因、蛋白表達譜的一系列研究，形成了從硬件栽培設備到軟件栽培參數等諸多專利與成果。

在太空種植作物，其長遠考慮是未來人類在執行載人深空探索任務時，航天器內的植物將成為生命保障系統的一部分。久處太空的宇航員需要富有營養的新鮮蔬菜，以補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，對改善空間站以及飛船內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記時間的作用，研究發現在沒有日夜交替和季節變化的太空中生活，航天員容易失去生理節律，睡眠受到影響。太空溫室可以幫助宇航員調節自身節律，花開花謝間宇航員看到了時間的流逝。“在太空中，植物是唯一隨時間變化而變化的存在。”植物的作用不單單是時鐘——看著植物的變化比看時鐘帶來的時間體驗更強烈。

放眼火星或小行星探測任務，太空農業將變得更為重要。未來，太空農業技術仍需取得重要突破，而且這類創新技術將惠及地球農業，研究植物在太空中的生長情況或許有一天真的能夠徹底解決地球上的糧食缺乏問題。

責任編輯：張蕾磊