月球表面的第一抹生命綠色
——探秘“嫦娥四號”上的“月面微型生態圈”

2019-04-09 07:43:40沐沐

太空探索 2019年3期

關鍵詞：生物

文/沐沐

2018年12月8日凌晨，由教育部深空探測聯合研究中心(以下簡稱”深空中心”)組織、重慶大學牽頭設計的“生物科普試驗載荷”項目搭乘“嫦娥四號”的便車，展開了一次前所未有的旅行。

時隔一個月，該生物科普載荷試驗發布了一系列照片，公布了試驗搭載的棉花種子從發出胚根到長出嫩芽的過程。這是在經歷月球低重力、強輻射、高溫差等嚴峻環境考驗后，月球上長出的第一株植物嫩芽，也是月球表面的第一抹“生命綠色”。

人類航天活動開展了幾十年，動植物上天早已不是新鮮事，但在月球表面開展生物學試驗尚屬首次。而且與去年國際空間站開出的外太空第一朵花不同，本次“月面微型生態圈”試驗位置距離地球38萬公里，比離地300多公里的國際空間站遙遠得多，所處月面環境也比國際空間站內部復雜得多。那么試驗究竟是怎樣的呢？下面我們一起來看看吧。

為什么送上月球？

為了充分發揮探月工程的牽引帶動作用，激發社會公眾和青少年探索宇宙的熱情，2015年，國家國防科工局、教育部、中國科學院、中國科協、共青團中央五部委聯合舉辦了“我心向月”月球探測載荷創意設計征集活動，首次面向全國大、中學生和科技愛好者征集創意設計。

經過初選、院士專家組初評、公眾網絡投票、公示、院士專家組終評等層層篩選，來自重慶大學的“月面微型生態圈科普載荷”項目憑借其“創新性突出”“科普效果好”的特點，在257個創想中脫穎而出，成為備選方案之一，后經探月工程“兩總”系統研究確定為“嫦娥四號”搭載載荷，并命名為“生物科普試驗載荷”。

該項目由教育部深空探測聯合研究中心主任、中國工程院副院長鐘志華院士首先以微型生態系統為雛形提出創意，后由教育部深空探測中心組織、重慶大學牽頭設計。

科普，是本次載荷項目最基本也是最重要的使命。項目團隊通過研究生物在月球低重力、強輻射、自然光照條件下動植物的生長發育狀態，為人類今后建立月球基地提供研究基礎和經驗。同時，該項目希望通過生物科普載荷試驗的實施，推動生物學知識的普及，加深普通民眾對生物學原理的了解；宣傳我國探月工程成果，激發人們對宇宙探索和科學研究的興趣，提高人們的環境保護意識。

▲“我心向月”月球探測載荷創意設計頒獎典禮

“這是人類第一次在月面上做生物生長試驗，以前科學家在空間站以及其他航天器上開展過多次生物試驗，但月球上還從未有過。生物科普載荷試驗已初步實現人類首次月面生物試驗，在荒蕪的月球上培育出第一株植物嫩芽，并隨時間的推移，成功實現人類有史以來第一片在月球生長的綠葉，對人類今后建立月球基地提供研究基礎和經驗，具有重大意義。”教育部深空探測聯合研究中心副主任、生物科普試驗載荷總設計師、重慶大學先進技術研究院院長謝更新說。

小罐子里乾坤大

月球上要空氣沒空氣，要水沒水，缺少大氣層和磁場的保護，在月球的每個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到300攝氏度！而且試驗正式啟動前，“月面微型生態圈” 承受巨大的壓力，沖破重重困難，陪伴著“嫦娥四號”歷經長達29天的奔襲，之后還經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出嫩芽，稱之為奇跡絕不為過。那么，這個奇跡是如何實現的呢？

首先我們來看看這個承載了“月面微型生態圈”的小罐子。

由于載荷大小和重量均有嚴格限制，這個小罐子并不大，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國旗。

▲月面微型生態圈實驗模型

▲月面微型生態圈示意圖

別看外表簡單，這個罐體技術含量其實很高，它是一個高度密封的抗壓容器，而且特別針對長期零下57℃低溫微弱漏氣現象采取了密封材料性能優化等多種方法。

罐子這么小，里面有什么呢？

最重要的當然是試驗對象——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、培養基、土壤、空氣，以及兩個記錄生物生長狀態的相機。

“麻雀雖小五臟俱全”，為了給載荷內生物營造一個適宜生存的環境，載荷罐體還分別裝置了“空調系統”、光導管和水倉室，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“月面微型生態圈”能夠正常運轉，難點在于溫度的控制和能源的供給。

為了讓“罐子”里保持穩定的適宜生物生存的溫度，科學家們給“月面微型生態圈”穿上保溫服并裝了空調。他們通過20多次的熱方案設計及優化，最終確定了通過半導體制冷器、電加熱器、散熱片及隔熱措施相結合的方式，對科普載荷內部進行智能化溫度控制。

聚酯薄膜做成的保溫層提供保溫，半導體冷熱片進行調溫，這些都不需要額外提供能源。但是電加熱器之類電器卻需要“電”才能運行。

而受限于重量控制，小罐子里并沒有帶上普通的蓄電池，太空艙也不會給“罐子”供電，因此，“月面微型生態圈”需要自己解決能源問題。能源從哪里來呢？答案非常簡單——太陽能。

通過純物理的辦法，沒有任何污染地進行溫控，是一種非常好的環境保護方式。

除了溫度控制，其他用電的地方也不少。此次試驗的重要作用之一就是科普，為了全程記錄這一過程，并與地球試驗進行對比，借以向青少年和宇宙探索愛好者來進行科普宣傳，照相機必不可少，將數據傳回地球也同樣需要能源，太陽能就為他們提供了可靠的能源保障。

除了供電，太陽能最為眾所周知的作用——光合作用在這里更是不能少，它是通過光導管實現的。

研究團隊通過多次試驗解決了壓力問題，在罐子頂部開了一個口子，通過光導管引進月球表面自然光線，提供植物光合作用所需光線，也為植物生長創造環境。罐體內，動植物通過載荷頂部蓋板上的光導管吸收月面自然光，完全接受月球的光照環境，實現月面原位資源利用。

水是生命之源，所以要實現生命生長甚至生態循環，水是必不可少的。

小罐子里的水倉室攜帶了一個裝有18毫升生物專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，將水袋中的水通過水管釋放到生物艙表面，為生物生長提供水分。

不過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，不一定會按照地球上的標準放水，而水放得過早或者過晚都不好。因此科學家們用添加劑堵住了水管的出水口，滿足一定條件后這個口才能打開，把水放出來。

另外，攝像頭和傳感器也很重要。從發射準備到飛行登月，中間大約會有兩個月時間。為了讓動植物不在途中就開始生長，科學家們進行了大量相關試驗，以保證動植物在旅途中沉睡，到達月球后再被喚醒。發射后不能人為遙控操作，只能通過攝像頭和傳感器進行觀測。

別看只是一個小小的以科普為主的載荷，這個小罐子的成本造價在千萬元以上，單相機就高達60萬元。在短短兩年的時間里，它經歷了幾十次修改，涉及了機械、材料、動力、電氣、電子、土木、資源環境、生物工程等領域的交叉融合，包括了許多關鍵技術，集合了國內外的一系列優勢資源。哪怕只是一架相機，也要有在抗輻射抗低溫高濕度環境下工作的特殊性能，整個罐子里40多個主要零部件，都體現了現今中國最尖端的技術。

▲“月球微型生態圈”的選培育

6種生物怎么選的？

大家都知道，“月面微型生態圈”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。那么這看似簡單的6種生物，是如何戰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兒的呢？

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

▲月面微型生態圈模型內部

重慶大學生命科學學院太空生物學研究團隊承擔了本次科普載荷生物模塊研制任務后，從云南深山懸崖到新疆沙漠地區，四處尋找能夠滿足條件的生物物種。他們進行了上百次物種篩選和無數次生物試驗，最終從糧、棉、油等人類賴以生存的最基本需求方向出發，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，載人探索任務也將面臨著由短期變為長期的挑戰，而航天員的吃飯問題將是必須解決的一個大課題。馬鈴薯是最為大眾熟悉且接受的食物之一，且極易生長，所以很可能是以后在太空中的主食，試驗價值重大。而這次選擇的馬鈴薯是特別培育的“小個子”品種。

棉花本身適應高溫發芽，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中首先發芽。

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領域重要的模式生物。它們因生長周期短，能夠在短時間內展示完整的生命過程而入選。

▲擬南芥

擬南芥開花周期短，從發芽到開花只需1 個月。酵母菌在有氧環境下進行有氧呼吸，氧氣含量較低時又進行厭氧呼吸，能在方寸之間調節氧氣和二氧化氮濃度。

而果蠅作為第一個進入太空的動物物種，其試驗價值更是非常大。從基因上看，智人與果蠅的共同點多到超乎你的想象。在所有致病基因中，約有75%的基因與果蠅的遺傳密碼有類似之處。

在選擇的過程中，研究團隊還曾考慮過烏龜、蜜蜂、蚯蚓等物種，后來因為耗氧量比較大等原因放棄了。

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

這一整個微型生態系統，均放置于密封的生物科普試驗載荷罐內。地面組裝合蓋過程中，所有生物裝載操作均在嚴格無菌環境的超凈工作臺中進行，確保全過程無生物污染。

▲酵母細胞

▲土豆

▲棉花

▲油菜種子

試驗過程

2018年12月8日凌晨，生物科普試驗載荷項目隨嫦娥四號探測器從西昌衛星發射中心出征。

2019年1月3日23點18分，“嫦娥四號”登陸月球第一天，在經歷發射和著落等階段嚴酷的力學考驗后，生物科普試驗載荷加電開機并啟動主相機拍照。23點48分，在地面控制中心發送放水指令后，植物種子和果蠅蟲卵結束近一個月的休眠狀態，進入生物月面生長發育模式。

▲上太空不死的果蠅

1月5日20點，地面接收數據顯示載荷內棉花種子已經發育為胚根。

1月7日傳回的照片顯示，生物科普試驗載荷內的植物長勢喜人，棉花種子已經長出了嫩芽，成為自古以來月面上第一株發芽的植物。這表明該項科普試驗載荷經受住了月面殘酷環境的考驗，只要條件合適，地球植物也能夠在月面低重力、強輻射、高溫差的嚴峻環境中頑強生長。

1月12日20點03分34秒，地面發送生物科普試驗載荷斷電指令，載荷正常關機。

之后，生物科普試驗載荷進入斷電狀態，在月夜溫度零下52℃的情況下，載荷內部所攜帶的6種生物結束本次科普試驗使命，處于冷凍狀態。

下一個月晝期溫度上升后，在全封閉狀態的生物科普試驗載荷罐中，6種生物被慢慢分解成無害的有機物，并將被永久封存在生物科普試驗載荷內部。

“從開機至斷電，生物科普試驗載荷在軌工作狀態良好，累計工作時間長達212.75小時，主副相機累計拍照34次，下傳照片170多幅。與整器保持良好的持續通信狀態，并實時傳回溫度、電壓、氣壓等各項遙測數據。通過照片數據和遙測數據分析，設備內部水已完全浸潤土壤，溫度、壓力等完全符合生物生長發育的要求，達到設計指標，部分指標超過預期。”謝更新教授介紹。

▲月面長出的第一株嫩芽

▲地面開放環境對照

為進一步凸顯本次生物科普試驗載荷的科研和科普價值，生物科普試驗載荷項目組同時在重慶大學開展了地、月對比試驗。對同一個生態系統（密閉空間）在地球、月球不同條件下以及在地面自然條件下（開放空間）的生長發育情況進行對比。

1月3日23點50分，地面試驗載荷與月表載荷同步注水，對照試驗正式開始。整個地面對照試驗全程以在軌工作的生物科普試驗載荷傳回的溫度作為參考，地面對照通過控溫，與在軌工作溫度保持一致。

▲月球基地幻想圖

截至1月12日，地面對照試驗罐體內已陸續發現棉花、油菜種子萌發，且長勢良好，可觀察到嫩綠的子葉。開放環境下，可見油菜、棉花和馬鈴薯種子萌芽，幼苗呈茂盛生長趨勢。

試驗成功了嗎？

“月面微型生態圈”里明明有6種生物，而且這6種生物構成了一個含有生產者、消費者和分解者的微型生態系統。也就是說，“月面微型生態圈”提供了6種生物全面生長的條件，現在只有棉花種子發芽了，而且“嫩芽”明明死了，為什么說試驗成功了呢？

這就好像學生升學的時候，體育成績的要求是達標就可以了，但是測驗的時候卻會留出優秀甚至滿分的空間，并不會達標了就不允許繼續發揮了。現在我們的“月面微型生態圈”就是這樣。

生物物種的嚴苛篩選是為了在有限的條件下盡可能地建立微型生態系統，以提供“優”甚至“滿分”的實現空間。俄羅斯專家舍夫琴科稱：“如果中國專家制造的封閉式生態系統開始運作起來，那么未來，航天員登月就不再需要攜帶水、空氣，一切都將就地實現。”但本次載荷試驗以實現在月球表面環境下植物種子發芽或幼蟲成長為最低目標。

棉花種子長出嫩芽，就已經達標了。它驗證了人類是能夠在低重力、強輻射的月球表面，在月球自然光照條件下培養植物并生長出第一片綠葉，為人類今后建立月球基地提供研究基礎和經驗。以“科普”為出發點的此次試驗已經成功地完成了它的科普使命。所以說，這次的試驗是成功的。

棉花種子發芽實現了月球表面生物生長的零的突破，但發芽已屬不易，客觀條件上并不能保障嫩芽繼續生長。想要在月球表面種植出能夠結果的植物，更是還有很長的一段路要走。

此次試驗所取得的全部數據在維也納與世界各國進行了分享、討論，試驗結果得到了國外科學家的熱烈贊美。