“月宮365”：模擬太空生存記

李明子

零下六十多度的火星地表，空氣稀薄，在沙丘和礫石組成的紅色荒漠中，幾塊孤零零的太陽能電池板供應著一座恒溫恒濕的實驗站。馬特·達蒙飾演的宇航員利用火星土壤和人的排泄物在艙內種植土豆，燃燒聯氨生成水，維持站內水和空氣的循環。他計劃通過種植僅存的12顆土豆，度過等待救援的400多天。

電影《火星救援》中的這個情節，如今正在北京航空航天大學（下簡稱“北航”）的空間基地模擬實驗艙“月宮一號”里上演。1月26日，第二組4名志愿者結束了連續200天的密閉隔離生活，走出了這個名為“生物再生生命保障系統”的密閉艙系統，另一組志愿者接替進入，繼續完成總共365天的全部實驗，因此，這次實驗項目也被叫做“月宮365”。

他們比馬特·達蒙幸運。實驗艙內不僅有土豆吃，還有黃瓜、草莓、小番茄，他們還種小麥、大豆、油麥菜，甚至還能自給自足地吃到“肉”。

但“月宮一號”絕不是借用《火星救援》的想法。“我們的項目早在2004年就開始了。”北航教授、“月宮一號”總設計師劉紅對《中國新聞周刊》說。

這個項目的目的，是探索在遠離地球的太空環境達到長期的完全自治生存，用專業術語來說，叫“閉合度”——密閉環境中循環再生的水平，假如一個人每天消耗10公斤物質，其中由生保系統提供的物質占比量越高，則閉合度越高。

此前這一項目的紀錄是由俄羅斯創造的：連續封閉180天，閉合度95%。“月宮365”實驗全部完成后，將創造連續實驗365天、閉合度98%的新紀錄。實驗成果不只應用于月球，火星、空間站，在深海、地下空間、高原和極地都可能有用武之地。

人造“桃花源”

“穿好外套再出來，外面冷。”劉紅大聲說。1月26日17點整，實驗艙的氣閘艙門打開了，艦長劉光輝和副艦長伊志豪先出艙，女志愿者褚正佩和王偉隨后，他們像明星一樣被等候在外的科研組成員包圍，然后被迅速送往醫院進行醫學觀察。

這是“月宮365”項目的第二次換班儀式。上一次換班時間是2017年7月9日。從那時算起，第二組4名志愿者已在“月宮一號”中連續密閉生活了200天，打破了由俄羅斯科研人員創造的生物再生生命保障系統中連續駐留180天的紀錄。醫學觀察結果顯示，連續密閉生活200天后，四人的生理和心理健康狀態也都良好。

“一想到紀錄是由我們打破的，還挺激動的。”艦長劉光輝說。

“月宮一號”當然不是一座宮殿。它坐落在北航大院南門附近一座彩鋼板房內，是一個“冂”字型的密閉實驗艙，內壁全部由304不銹鋼無縫焊接而成。除電力供應外，艙內的物質與外界全部隔絕，包括空氣。

“月宮一號”的研制，從13年前劉紅受聘到北航任教就開始了。

劉紅此前的專業是環境保護與自然資源合理利用，到北航后與航空航天結合，很自然地就瞄準了“地外生存”的“生物再生生命保障”研究。

那時，神舟五號載人航天飛船已經成功升空，中國已掌握載人航天技術，“嫦娥一號”也開始籌備。劉紅回憶，當時國際科學界已有討論，未來太空站補給的最佳方式并非從地球輸送，勢必要開始地外生存保障技術的研究。

志愿者褚正佩在檢查艙內植物生長狀況。

劉慧在植物艙Ⅱ騎動感單車。

2018年除夕夜艙內艙外一起包餃子過年。圖/受訪者提供

最早的地外生存系統是前蘇聯在1972年提出的。這個叫做Bios-3的系統較簡單，只有人與植物兩個生物鏈環，水和大部分營養物質都由艙外提供，艙內植物僅負責制造氧氣和一部分食物。1973年，Bios-3首次完成了2～3人、連續180天的實驗，證實了這個理論：如果能夠按照生態系統的原理定量計算和設計，能夠實現物質循環的人造生態系統。

世界各國先后加入了這一領域的研究。美國建立了由人一植物兩環構成的“受控生態生命保障系統（CELSS）”，并完成了4人90天的密閉實驗;歐洲太空局于1989年啟動了“微生態生命保障系統研究計劃”，在系統中引入多種微生物，負責將人類排泄物層層分解為可供植物生長的二氧化碳、富氮培養基、氧氣和水等物質，但該系統至今沒有獲得成功;日本的方案特點是引入了大型動物山羊，一方面生產羊奶為人類提供蛋白質，另一方面消耗系統內作物產生的枯葉和秸稈。2005年9月，這個系統進行了3次為期一周的聯合實驗，但沒有再進行更長時間的實驗。“大型動物在我們的方案中是最早被放棄的。”劉紅說。因為把它們養大，然后殺掉吃了，“會對人的心理造成巨大的沖擊”，實驗空間和資源的有限性也限制了大型動物的可能。

相比之下，“月宮一號”結構最復雜。它首次同時引入了動物和微生物，組成了由“人一植物一動物一微生物”四生物鏈環構成的人工生態系統。

“為什么要引進動物？主要為了讓人有動物蛋白的攝入。”劉紅解釋說，“引入微生物處理固體和液體廢物，從而維持系統更穩定地運行，對地球的依賴更小。”

篩選可供加入外太空生態系統的動物，幾乎是一個“人造”進化工程。排除大型動物后，項目團隊考慮過魚類，但這意味著要引入一套復雜的水生生態系統，且魚骨不便降解回收、進入再循環，也被否定。最后確定了這個系統的“動物準入標準”：不能使人類產生食用心理障礙，不能與人爭奪食物，應以人不食用的植物廢物為食，在提供動物蛋白的同時還能處理人類不食用的植物秸稈等。

“月宮一號”分布示意圖

他們鎖定的是一種沒人想到的動物：黃粉蟲。

進入這個系統的植物與微生物的標準也與此類似。植物應能提供食物、氧氣和水，培育過程不宜過于復雜：微生物則需兼具促進植物生長、廢物降解等多項功能。

2014年，這個由1種動物、21種植物、多種微生物和3個人組成的系統構建成了1.0版的“月宮一號”：其中有一問供人類活動的綜合艙，一問供植物生長的植物艙，人、動物以及廢物處理過程中產生的富二氧化碳空氣被送至植物艙，供植物光合作用;植物通過光合作用產生富氧空氣，凈化后供人、動物和微生物呼吸;植物蒸騰作用產生的水蒸氣，經過冷凝、凈化，一部分供給人滿足人的生活所需，其余與凈化后的生活廢水和尿液一起，回灌于植物栽培，植物成熟后，經加工成為人類的食物;系統內的空氣和水，都由電力驅動完成循環。

3名北航學生和教師志愿者，完成了105天的全密閉實驗，這是中國首次長期多人高閉合度集成實驗。劉紅還記得，當時艙內種植的水果只有草莓，約一周收獲一次。志愿者們十分珍視，每次收獲后必把一整盤草莓擺在餐桌正中央，十分隆重。

這次實驗驗證了這套中國自主研制的生態系統的閉合度和有效性——氧氣和水100%循環再生，食物循環再生達到55%，整個系統閉合度達到97%。

2016年，“月宮一號”的技術和設備升級到2.0版，且新增了一個植物艙，植物種植面積達到120平方米，種類增加至35種，以便提供更多樣的食物。

但最重要的，還是人。在這個實驗系統中，人不只是系統維持生命的目標，同時主導系統的運轉和幾十項實驗的開展，由于長期與外界隔離，還需要頑強的忍耐力和意志力。因此，實驗志愿者的篩選也很嚴格。劉紅介紹說，志愿者首先要具備“月宮一號”團隊的六有精神（夢想，熱情，豪情，勇氣，干勁和擔當），其次是良好的健康狀況，不僅身高、體重、血壓、血脂、代謝水平都要經過詳細測量，還要經過心理測試，之后還有為期15天的密閉預實驗。

這次長達365天的實驗，最終留下了8名志愿者。他們被分為代謝水平不同的兩組，每組兩男兩女。為完成實驗的核心任務一一研究一個生物系統如何穩定保障代謝水平不同的航天員乘組的駐留和換班一一實驗分為三班。第一組負責從2017年5月lo日到7月9日和2018年1月26日到5月9日的第一班和第三班，第二組則負責中間的第二班。

如今，第一組4名志愿者正在“月宮”中完成本輪實驗的最后一班;艙外，劉紅帶領著30人的團隊，24下時監測著他們的“月宮”。

在“月宮”種菜養蟲

每天9點早飯后，第二組志愿者褚正佩換上工作服，戴上口罩和手套，就在植物Ⅱ艙開始一天的工作：上午給植物配制營養液，采摘成熟的蔬菜，午休后，檢查植物的生長狀態。有時，她會帶一個小音箱進來，一邊聽音樂，一邊寫論文，偶爾，還拉上另一個志愿者王偉一起畫畫。植物艙幽靜又充滿生機，仿佛一個秘密花園。

2.0版“月宮一號”，2/3的空間是兩個植物艙，志愿者多數時間也在植物艙里工作，供人類活動的空間是42平方米的綜合艙，由4問臥室，1個洗漱問，1個廢物處理問和1個集客廳、工作室、廚房和餐廳于一體的飲食交流問組成。

第一組志愿者高寒的主要工作是種麥子，“一忙大半天，累得腰酸背痛。”他告訴《中國新聞周刊》，小麥是這個系統中最重要的植物，承擔了為志愿者提供口糧、所需氧氣等責任。

為節省空間、提高單位面積產量，“月宮一號”團隊采用立體種植技術，三層植物架共種植了60平方米矮株小麥。在恒溫恒濕、LED光源的艙內環境下，小麥只需70天便可成熟。但“月宮一號”里的小麥不是統一播種和收獲的。“不同生長階段的小麥，光合作用的速率不一樣，就是吸收二氧化碳和產生氧氣的能力不一樣，”一組艦長劉慧解釋說，“為了保持艙內二氧化碳和氧氣的平衡，我們每周要收割3次，每次只收割一部分，再補種新的。”

即便每次只收割2平方米小麥，也需3人協作：一人用電動剃刀剪下整株小麥，然后立刻補種，第二人負責用剪刀將麥穗剪下，交給第三個人晾干、脫粒，然后粉碎秸稈，對小麥稱重、磨粉。

人們常用“修理地球”形容干農活兒，在“月宮”里，這叫“每日維護”。奇怪得很，志愿者們過去對農作物并沒什么深厚感情，在“月宮”里卻愛上了這些小家伙。高寒就自詡為植物Ⅰ艙艙主，并驕傲地把他負責的作物稱為“五個漂亮女兒”。他還搞了個排名賽：小麥耗費精力最多，要每天配置營養液、調節光譜，但“成績”也最好，最終以“顆粒飽滿、蛋白含量高”，勝出了土豆、胡蘿卜、四季豆和香蔥，成為Ⅰ艙“五美”中的老大。

一組志愿者劉佃磊最喜歡做的工作是“喂蟲子”。他精心為黃粉蟲搭配葷素：干菜葉是素，生物處理過的碎秸稈中已有微生物，就是黃粉蟲的“葷”菜。蟲寶寶越是白白胖胖，劉佃磊越開心：“哇，又有肉吃了。”

黃粉蟲對環境不苛刻，在28℃、70%濕度的環境里可以迅速成長，由卵長到可食用的2～3厘米幼蟲只需50天。但它們不喜光。劉紅團隊便專門研制了一種不銹鋼立柜，內設多層，每層可放置多個圓柱形培養皿，皿內放入大量生物處理后的碎秸稈，便成了黃粉蟲的“公寓”。平時，立柜大門一關，不同生長階段的黃粉蟲就在不同類型的“公寓”里靜靜“養膘”。

“其實吃蟲子并不像大家想的那樣，不惡心。”劉慧說。每次食用前，會讓黃粉蟲餓一天，排空排泄物，之后磨成粉加在面粉里做饅頭，或與菜一起炒熟。她咯咯笑著說，“就是蛋白質嘛！炒熟后香香脆脆的，很好吃。”

二組艦長劉光輝的工作之一，則是監控這個生態系統中最難見到卻又不可忽視的環節一一微生物。實驗啟動前，“月宮一號”艙內已全方位消毒，最終進入的，只是這個人造“桃花源”允許的微生物，它們不只影響艙內動植物的生長、大小和活力，還對艙內的二氧化碳濃度、空氣濕度、固體廢物降解速度等產生重要影響。

不只如此，2014年對“月宮一號”1.0版的實驗還證明，志愿者的腸道微生物群落結構與情緒狀態密切相關：如果志愿者體內有較多羅斯氏菌、考拉桿菌，他們就表現出更多的積極情緒，而擬桿菌則與消極情緒有關。這也使得監測艙內微生物變得極為重要。“即便在太空里，我們也不是完全獨立生活，”劉輝說，“我們需要與菌共舞。”

生存以上，生活以下

表面上看，月宮一號就像一個“世外桃源”：恒溫恒濕，四季如春，遠離了自然界的風雨雷電，也遠離了大都市的快節奏生活，就像《三體》中的647號人造小宇宙那樣愜意、自在。

早7點，志愿者們準時起床，早飯過后就開始各自的工作，有人栽培植物，有人負責健康監測，有人負責廢物處理。12點吃午飯。晚7點后則是休閑時間，有的看書，有的寫論文，還有人把之前沒空看的電影統統補上了。

然而，“世外桃源”并不悠閑。高寒說，密閉生活一個月后，他想起五月天的一首歌：《生存以上，生活以下》，“吃飯、喝水，連刷牙也照著節奏，然后設定了明天六點半的鬧鐘……”因為志愿者也是“桃源”的實驗對象，他們所做的每件事，都要符合實驗計劃，并且被測量、被記錄、被統計、被分析，以便獲取科學數據。

測量從每天醒來時就開始了。先在被窩里測量體溫，起床后，測量體重、血壓和血氧濃度。睡覺前再重復一次。每周進行3次健康取樣、填3次問卷，完成1次心理咨詢視頻通話，以及1次睡眠測試。“他們必然以科學嚴謹的態度對待這些測試，馬虎不得。”劉紅說。

志愿者覺得最困難的，是第二班實驗中為期6周的“遮窗實驗”。為了測試在全密閉無自然光和艙外景觀的環境下，人類的生物節律、新陳代謝、情緒和行為等變化，艙內所有的玻璃舷窗都被遮蔽。

“大家的情緒最初的確有較大波動，但是我們都很快自我調節適應了。”第二組志愿者王偉說。她的碩士研究課題恰好就是“光環境對人生理和心理的影響”。她解釋說，熟悉的自然光和景觀消失后，人都會因生物節律受到影響而產生情緒波動，但艙內的綠色植物對緩解心理壓力發揮了重要作用。

騎動感單車則是二組志愿者伊志豪緩解焦慮的秘方。兩個植物艙內各配有一臺動感單車，一感到焦慮，他就騎上半小時，綠色植物帶來輕松愉悅，運動使得多巴胺分泌增多，他騎得大汗淋漓，又身心輕松。

遮窗期間，測量取樣的頻率也相應提高。健康樣本（唾液/尿液，大便）從每周3次增加到每兩天一次，還加入了牙科、心電圖等臨床評估，以及呼吸、睡眠和飲食等評估內容。志愿者們不知道的是，實驗小組還在舷窗上方悄悄安裝了攝像頭，以記錄他們試圖向窗外觀望的次數。

在密閉空間按規定流程長期生活，不可避免會產生重復感。伊志豪統計過，150天的“月宮”生活中，要填130份科研問卷，測量300次體重、體溫、血壓和血氧飽和度等健康指標，重復“收割、剪穗和播種”流程64次，處理150次尿液，對植物與水進行至少21次取樣……甚至很多笑話也被無意識地重復，最后，大家笑的不是笑話，而是“怎么又講了一遍”。

他用“跑馬拉松”形容這個過程：最初，新鮮，熱情高漲，工作效率高;慢慢地，熱情冷卻，工作效率開始降低，情緒波動，直至出現類似“體能極限”的疲憊感;再往后，一切成為習慣，不適得到克服，仿佛迎來運動生理學上的“第二次呼吸”，之后又是步履輕盈地奔跑。

他甚至得出了一些有哲學意味的結論。“一切真的只是簡單重復嗎？植物吸收二氧化碳產生氧氣是重復，生活廢水經凈化后澆灌植物，蒸騰后的冷凝水再凈化后供人飲用也是重復，秸稈經過固廢發酵又釋放出二氧化碳也是重復……”他在周記中寫道：“人生就是一個不斷重復的過程，在重復中得到鍛煉與成長！……經過大量重復，勢必會發現一些問題，而這些問題都將是以后改進的重點和進步的方向。”

長期在封閉的環境中共同工作生活，志愿者之間形成了親人般的感情。一組艦長劉慧和二組艦長劉光輝都是組內相對年長的，他們主動擔任起廚師工作。食譜雖是固定的，他們還是想盡辦法烹飪出新意，劉慧在艙內學會了做花卷，劉光輝則“發明”出“月宮蛋糕”“月宮蒸包”等新花樣。

2018年2月15日，農歷除夕，也是“月宮一號”里收種小麥的日子。高寒和胡靜斐全包了這項工作，好讓“廚娘”劉慧有時間準備年夜飯。光是餃子皮，劉慧就準備了兩種面，綠色的加了蔬菜汁，橙色的用了胡蘿卜汁。在不影響系統閉合度的前提下，經過精確計算，實驗團隊為他們4人準備了600克豬肉，劉慧充分利用，和出了三種餃子餡：豬肉大蔥、豬肉胡蘿卜和豬肉白菜。

艙外團隊也在實驗崗位過除夕。劉紅要求，艙外的食材不能超出艙內作物的范圍，要“同甘苦，共喜樂”。晚上5點整，實驗艙內外成員分別圍坐在電視顯示器前，開始了第一屆“月宮春晚”，艙內外連線表演節目、發紅包、做游戲，還有人同時向家人直播“春晚”現場。當天恰好艙外一名團隊成員過生日，劉佃磊在艙內為他表演了一個名叫“生日快樂”的魔術：印有蠟燭的撲克牌在劉佃磊手中翻轉后，自動點燃，又自動熄滅，月宮內外，同唱生日快樂歌，互祝新春快樂。

2月16日大年初一早7點，“月宮一號”艙內人員工作如常。

至此，“月宮365”實驗已完成了超過3/4。經過數年的積累，相比于2014年的第一期實驗，“月宮365”計劃已實現了氣體平衡調控、光調控和營養液調控等自動化，唯一欠缺的，是尚不能完全模擬太空中的失重和輻射環境。

“我們正在爭取搭載月球和火星探測器的機會。”劉紅介紹說，但將“月宮一號”這樣尺度的系統送上外太空，目前仍不具備條件，仍要先從搭載小型生物再生生命保障系統做起，不斷調整大系統的矯正參數。“我們還有很長的路要走”。

在劉紅的設想中，“月宮一號”還將有3.0版，那時將由智能園藝機器人代替人類種植和收獲作物，機器人甚至可以完成烹飪等后續工作。想象一下，在未來的月球基地，宇航員只需按一個按鈕，熱騰騰的饅頭自動送到面前，從農業勞作中解放的宇航員，將有更多時間探索未知的宇宙。