“月宮365”：人工生態系統破紀錄

劉暢

校園里的“月宮”

一面舷窗就像一塊圓形顯示屏，泛著紫粉色的光。2018年5月15日，舷窗外面，由飛機倉庫改造的彩鋼板房內，人越聚越多，他們向橢圓形的艙里張望。劉慧戴著口罩和手套，穿著連體實驗服，在三層的植物架上采摘黃瓜。這一天，她終于出艙，與她的團隊一起迎接外界的好奇。此前的369天里，包括劉慧在內的8名志愿者分成兩個4人小組，嘗試像在科幻電影中的外星基地里一樣，分批、交替在除電力供應外，與外界完全隔絕的“月宮一號”里生活。

志愿者在“月宮一號”的植物艙內記錄植物信息

從艙里往外看，舷窗不過像是墻面上嵌著的一個圓環，劉慧有時會透過它向外看看，但大多數時候會忽略它的存在。她每天的大部分時間都花在三個50平方米左右的艙里，其中兩個是植物艙。植物艙Ⅱ里種著30種植物，包括蔬菜和水果，劉慧和志愿者為它們配置不同的營養液，記錄它們的生長數據，成熟后摘走、吃掉，再種上新菜。而另一個植物艙Ⅰ里，種著5種植物，其中主要是小麥，他們用電動剃刀剪下整株小麥，用剪刀將麥穗剪下，晾干、脫粒、稱重，磨粉，做成饅頭，周而復始。

外界能夠透過舷窗看到的，只是“∏”型的“月宮一號”的兩個縱向并排的植物艙。橫向的綜合艙將它們相連，但除了監控室內的影像，它里面的情形隱藏在自然視線之外，那里是志愿者們日常生活的地方。并排每人一間臥室，共用一個洗漱間，廚房、餐廳、工作室合為一體，安置在臥室和洗漱間中間。綜合艙一側還有一個廢物處理間。從2017年5月10日開始，劉慧所在的一組就曾在里面住過60天，二組的志愿者緊接著住了200天后，劉慧他們又住了進去。

作為一組艦長的她告訴我，他們每天的作息規律而緊湊，早上6點半起床，自早飯后開始，除了中午12點飯后休息一小時，下午有半小時茶歇，直至晚上7點晚飯，志愿者都在工作。他們的工作是維持“月宮一號”系統的運轉，監測、記錄下其中每個事物在每個環節的一點一滴。

“月宮一號”是簡稱，它有一個長達22個字的全稱，“空間基地生物再生生命保障系統地基綜合實驗裝置”，那才是它的本相。在這個占地150平方米，總體積500立方米的密閉系統里，劉慧所在的團隊依照自然界的生物鏈，構建“人-植物-動物-微生物”四生物鏈環的人工生態系統。他們嘗試讓這個生物鏈循環起來，使人能在孤立的環境里自給自足。

“艙內提供生命保障的基本物資就是氧氣、水和食物，‘月宮一號的基本原理就是把這些物質循環起來。”劉慧向我介紹，“植物不僅給艙里的乘員提供食物，還通過光合作用產生氧氣、通過蒸騰作用產生純凈的飲用水。秸稈和菜根之類人不吃的部分用來飼養動物。我們養的動物是黃粉蟲，能為我們提供優質的蛋白。植物剩下不可食的部分、人的排泄物、廚余垃圾交給微生物處理。除了將這些‘廢物制成可種植物的類土壤基質，微生物將被固定的碳分解為二氧化碳，與人和動物呼出的二氧化碳一起進入空氣，供給植物做光合作用，而從尿液中回收的水和氮素，以及凈化后的衛生廢水，又用于灌溉植物。新的植物依靠這些養料和水分生長，一個循環就此形成。”

“我們各有分工。”原理看似簡單，操作流程卻很復雜。4名志愿者要負責固體廢物處理、廢水處理、動物飼養、植物栽培等7個環節。劉光輝是二組的艦長，他除了每天飯后在各艙室間轉個彎，檢查設備是否正常運轉，主要的工作場所在廢物處理間。那里挨著洗漱間，每天一早，他都會先打開尿液處理設備預熱，然后將各人尿液計量后加入設備處理。“固體的廢物也是這樣。我是學生物醫學工程的，經常接觸排泄物，而且艙中的排泄物經過處理，也基本沒有什么氣味了。”他在艙中生活了200天，對自己的工作早就習以為常。

“月宮一號”團隊的成員把漫長的艙中生活看作一場“馬拉松”，心理上會經歷起伏。“想到各項研究即將收尾，任務比之前繁重得多，有時候想干脆不出來了。”劉慧回憶，臨近出艙，原本的期待被工作打壓下去，直到出艙前兩三天才激動起來，卻突然得知還要再多“關”5天，“倒計時又倒回去，有些悵然，后來因為忙，也就釋然了。”而劉光輝和大家都知道，這也是實驗的一部分。他是團隊中最鎮定的人之一，經歷過突然斷電和長達6周暗無天日的遮窗實驗，他仍用實驗的心態看待自己在艙中的心態變化，“心理學上有個說法，人做一個任務做到四分之三，趨近尾聲時，心理上會出現波動，之后又會趨于平穩。我自己的感受與此類似，但具體數據目前還未分析出來。”

劉光輝所言的數據來自他們在艙里定期要接受的心理問卷、腦電檢測等一系列測試。實際上，將艙內成員的生活分成工作與休息并不準確，像給艙內的植物、微生物記錄、取樣一樣，他們自身的一舉一動也都是實驗。

志愿者們在艙內的一天從量血壓、測體重開始，他們定期收取自己的唾液、尿液、糞便等健康樣品。艙外的24小時監控室里，表情識別系統解析他們的情緒變化。甚至，不但食譜經過嚴格測定，連人員構成也精挑細選。劉光輝告訴我，“為了測試系統能否穩定地保障不同代謝水平的人員的駐留和換班，我們的兩個組是特意根據志愿者的高矮胖瘦組合的。我們組新陳代謝水平比較高”。而從新陳代謝的角度看，每日活動要滿足一定的量。“休息時新陳代謝少，有時候覺得活動量沒夠，就騎騎動感單車，女生還會練練瑜伽。”

但人并非一堆變量拼合的機器，志愿者們盡可能讓生活有滋有味。劉光輝說，晚飯后，他們看電影、上網與家人聊天，有時候下下象棋。而身為志愿者中年齡最大的艦長，劉慧和劉光輝都擔起為師弟師妹改善伙食的職責。今年除夕夜時，劉慧特意準備了兩種餃子皮，一種綠色的面里加了蔬菜汁，一種用胡蘿卜汁把面調成橙色。她用艙內收獲的蔬菜和進艙時帶的豬肉，做出了三種餃子。艙內外的成員分別圍坐在顯示器前，舉辦 “月宮春晚 ”，艙內外連線表演節目、發紅包。

“因為作息規律，艙內恒溫恒濕，空氣質量優良，飲食健康，我感覺比進艙前健康很多。”劉慧出艙時，“月宮一號”已密閉實驗370天，成為世界上運轉時間最長的生物再生生命保障系統。而14年前，中國在此領域一片空白。它的成功，源于一系列與航空航天技術無甚關聯的“機緣巧合”。

打造人工四生物鏈系統

現如今，裝著“月宮一號”的彩鋼板房里，植物艙艙門前的地毯，以及會議桌上的桌布，或許是除了“月宮一號”的名字之外，與月球關聯最大的物件——它們上面都印著月球的環形山。“月宮一號”的淵源不在天上，而在它正北方的實驗樓里，一位年過五十的女科學家14年前的決定。

“我來的時候，就考慮怎么把自己的專業和這里的特點結合起來。”我見到“月宮一號”總設計師劉紅教授時，她把頭發盤成干練的發髻，每天工作緊湊，工作安排以一小時計。劉紅告訴我，她的專業是環境保護，2004年到北航任教時，她想環保本是交叉學科，但在北航做農業環保或城市環保，都沒有競爭力。“我從小就感到太空很神秘，想到應把自己做的跟航空航天結合起來。”

蘇聯建成的世界上第一個封閉生態系統BIOS-3（攝于1985年）

她查閱資料后發現，航天技術先進的國家都在做地外生存系統，其中的難點正好與她的學術背景吻合。“人到哪里都一樣要吃喝拉撒，而廢物的循環處理就是我的專業。我等于做的是環保的最頂級狀態，所有廢物都利用了，一點兒不剩。”

莫斯科大學的留學背景也幫助了她。精通俄語使她能夠看到經驗最豐富的俄文文獻。1961年，蘇聯“航天之父”科羅廖夫把加加林送入太空后，便設想建立與地球類似的生命保障系統，保證長途的太空旅行。1972年，他組織人手在西伯利亞小城克拉斯諾亞斯克建成了最早的地外生存系統BIOS-3。次年，完成了兩到三人在艙內連續生存 180 天的實驗。“里面種植小麥和蔬菜，實現了人和植物兩生物鏈的循環。即便水和大部分營養都依靠艙外，艙內的植物也只能制造氧氣，提供一部分食物。實驗還是證明，比照自然生態系統的原理定量設計，人類能做出人造的生態系統。”

“但就像只有一種植物的人工草坪遠不如野草地長得好，不同物種間會相互支撐，功能也會互補，生物多樣性越高，生態系統越穩定。”在劉紅看來，豐富人造生態系統內的生物鏈環和物種種類勢在必行。她向我介紹，蘇聯的實驗成功后，美國人受到感召，上世紀90年代初，在沙漠中建了一座1.2公頃的人工生態系統。他們把自然界的每種類型都“摳”一點，搬進玻璃罩子里。熱帶雨林、沼澤應有盡有，生態系統卻很快崩潰了。

劉紅從這個失敗經驗里反思，生態系統的尺度和物質的循環周期有莫大關聯，人造環境不可能承受整個地球動則成百上千年的循環周期。所以，生物鏈環必須人為設計、調控，每個生物單元都要精確定量。

當年，“神舟5號”載人飛船成功升空不久，“嫦娥一號”也開始籌備，航空航天技術的前景大好，但在地外生存系統的領域，中國一片空白。而當時世界上除了蘇聯的BIOS-3，只有美國建立的“受控生態生命保障系統”（CELSS）完成4人90天的密閉實驗，且仍是人與植物的兩生物鏈系統。而歐洲太空局在1989年啟動的“微生態生命保障系統研究計劃”，在系統中引入微生物，卻至今未成功。

劉紅上來就要做“人—植物—動物—微生物”四生物鏈的系統。劉紅說，既是科研，就不想只重復前人的工作，她帶著學生單槍匹馬開始攻堅。“和俄羅斯、歐空局好幾個部門聯合，動輒成百上千人的規模相比，我們只有30個人。”

實現人造生態圈的運轉本質上就是調控的科學。密閉的環境里物質恒定，氧氣和二氧化碳濃度的變化，飲用水與廢水之間、人吸收營養與排出廢物之間的循環等一系列問題，正是劉紅需要解決的課題。“CELSS主要是以物理、化學方法調控，系統消耗大，需要更多外援，若出了事，黃花菜都涼了。”劉紅說，調控的方法應依靠艙內生物本身的機能，但之前的實驗并不能提供更多經驗。“BIOS-3雖用生物調控，但生物鏈環少，主要調控人的食譜，也不是長久之計。”

她把自己的團隊分成植物單元、動物單元、廢物處理等不同方向的研究小組，她自己的專業背景在此發揮了關鍵的作用。環境保護中的微生物處理技術可以應用過來，劉紅和學生首先把“變廢為寶”這最難的一環解決了。而植物的一環，她要完全把握植物的習性，搞清各種植物所需光配方和營養液的配比，“調配的基礎是全面的認識”。劉紅之前在中國農業大學任教時，培養過植物，前蘇聯和美國的實驗也能提供經驗。她告訴我，為了研究每種植物最喜歡的光線，量身定制光配方，她的團隊像探究基因的功能一樣，把光波分段，挨個清除、比對，摸清每一個波段對每種植物的作用，之后用LED燈調配光譜，“單植物的研究，我們就出了4篇博士論文，研究成果現在也可以用在農業領域。”

研究生物單元5年后，劉紅在2008年決定把各單元整合在一個系統里，2013年時，終于建成“月宮一號”。

生物圈里的尋覓

“‘你會做噩夢的。第一次進艙前，我和做BIOS-3實驗的俄國科學家吃飯時，他那樣對我說。”經過一年的構建和調試，2014年春節時，劉紅從自己的團隊中挑選出兩女一男3個人，進入“月宮一號”做105天的生存實驗。和現在相比，那時只有一個植物艙，根據人所需的營養配比，種植了21種植物。心中忐忑不安又有些激動的劉紅當時不知他說的是實情，“還以為他在咒我”。

劉紅當時的“誤解”來自之前五年的艱辛。“因為我們的理念太超前，爭議非常多，有些人在會議上當面質疑我，說我的項目太遙遠，科研經費要顧及緊要且能看得見成效的項目。”劉紅告訴我，她一遍遍地寫申請，推薦“月宮一號”，終于在2012年獲得批準。“但經費遠遠不夠，我們把幾個課題的經費湊起來，也仍不夠，還得自己再去找。”

錢的問題只是一方面，“我之前只設計過污水處理廠”，劉紅的研究需要“月宮一號”這個載體呈現，他們對結構的要求又很特殊，只能自己設計，再找人施工。好在污水處理廠與“月宮一號”也有相通之處，“都是大罐子，不能漏”。劉紅找到煤氣罐加工廠商，只要求他們能保證不漏氣，具體的結構由他們設計。因為承重大，省去打地基，他們選擇把“月宮一號”建在曾經的飛機倉庫里，而大到艙體的布局，小到連通艙內外的空調管道焊口的設計，劉紅團隊都必須考慮得面面俱到。

在工地上揮汗如雨，“月宮一號”的科研項目也沒有停，自打劉紅決定做地外生存系統，她和學生就在尋找動物鏈環中合適的動物。“歐空局和日本都嘗試過用牛、羊等大型動物，但我們最早就放棄了。”劉紅考慮到大型動物對系統的消耗太大，而且在孤立的環境里，飼養動物很容易使人產生情感依賴，養大后再殺掉會對人的心理產生巨大沖擊。

BIOS-3中曾有過類似的先例，還只是一只蟑螂。180天的實驗開始兩周后，艙內成員發現一只小蟑螂，他們興奮不已，三個男人把它當成了寵物，每天叫它名字、和它聊天、給它喂食。但有一天蟑螂不知被誰踩死，他們悲慟不已。其中兩人見另一人沒他倆傷心，認定他是兇手，要找他報仇。艙外的實驗負責人從中調解，艙內的人要求再放一只蟑螂進來，但不合規定。直到艙外人說，“原來的蟑螂和你們一起進艙，是親的，再送進去的就不是親的了”，鬧劇方才作罷。

劉紅為此竭盡腦汁，突然她想到兒時養兔子和蠶的經歷。“我小時候割草給兔子吃。兔子死了會很難過，但同樣是我養的蠶死了，倒進垃圾桶就完了。”她由此思考，單獨的一兩只動物，人很容易和它產生感情，蠶一養一大堆，很難分清誰是誰，不會產生心理依賴。“而且我是徐州人，在南方蠶蛹是家常菜，幾乎天天吃，很有營養，也沒有任何心理障礙。”

由此，劉紅找到了超越前人的關鍵方向，用昆蟲等小型動物構成動物鏈環，四生物鏈的架構，曙光初現。

但蠶寶寶太嬌氣，只吃桑葉，死亡率也高。在劉紅團隊建構的生態系統里，一切以人為中心，動物被食用時不能產生心理障礙，不與人爭食，以人不食用的植物廢物為食。研究了8年蠶的培養工藝后，他們還是決定放棄。興建“月宮一號”期間，在幾千種可食昆蟲里，劉紅把目光對準了吃麥麩的黃粉蟲。“人吃小麥會剩下秸稈，而麥麩與秸稈的主要成分都是纖維素。”

“黃粉蟲吃起來脆脆的。”劉光輝說，黃粉蟲生長迅速，由卵長到可食用的幼蟲只需 50 天。因不喜光，他們為其研制了一種不銹鋼立柜，內設多層，每層放置多個圓柱形培養皿，其中放入大量生物處理后的碎秸稈，給黃粉蟲當食物。每次食用前，他們把黃粉蟲餓一天，排空排泄物，之后磨成粉加在面粉里做饅頭，或是直接烤干，“像薯條一樣，當零食吃”。

如今歐洲人也領會了這一思路，試驗蝸牛之類適合他們口味的食譜。在劉紅看來，除非要“移民”外星千人以上，否則近百年不會用到大型動物了。但她當時對自己的“創意”并沒有把握，“加入動物鏈環之后，整個生物鏈會不會亂？”2014年進艙實驗前，他們做了270天的模擬實驗，把動物鏈環加進來。即使證明可行，當志愿者真正入艙后，噩夢還是一天接一天地來了。

“因為鏈條環環相扣，我每天夢里像過電影一樣核對細節，有時越擔心就越感覺真出了狀況。” 劉紅向我反復強調實驗沒成功前，她面臨的巨大風險，所以開始時并未對外聲張。但仍總有人聯系她參觀。而為保證人員安全，他們設計的艙門非常容易打開。“看到人們扒著門看，我生怕門會開，那就前功盡棄了。”所幸，第一次實驗順利完成，證實了系統可行。

劉紅告訴我，評判生命保障系統的標準一個是密閉環境中循環再生的水平，即閉合度，閉合度越高，說明人每天消耗的物質里，由生命保障系統提供的比例越大。第一次實驗中，“月宮一號”的閉合度達到97%，超過BIOS-3，成為世界之最。而且因為四生物鏈環的運轉，還實現了零消耗的生物調控。另一個標準是系統的穩定性，這是“月宮365”實驗的目的。第二次實驗前，植物艙二號建成，植物種類上升到35種。劉紅不再做噩夢，她用各種辦法“考驗”“月宮一號”。人為斷電，劉慧、劉光輝的小組分不同時長交替進入，最終發現，不但系統能夠應付，反而因有人維持，運轉得更好了。

通過擴大種植規模，提高廢物處理效率和黃粉蟲的培養效率，第二次實驗的閉合度達到98%。劉紅認為，已無再提升的必要。“只要有2%的外援，系統就能一直運行下去。人不可能在里面一輩子，肯定會換班。我們以后也會朝利用外星的原位資源的方向發展。”劉紅把眼光朝向太空，下一步爭取能搭載空間站、月球和火星探測器，探究能適應失重或部分重力以及輻射環境的系統，“還有很長的路要走”。（感謝陳一然對本文的大力幫助）