月球上第一片綠葉

晶晶

月球上長(zhǎng)出了第一片綠葉！

2019年1月7日上午10點(diǎn)左右，隨嫦娥四號(hào)登陸月球背面的生物科普試驗(yàn)載荷傳回試驗(yàn)照片。

畫面中，一株綠色的植物嫩芽從土里冒出了頭。

這是人類在月球上種出的第一株綠葉植物，

也宣示了重慶大學(xué)牽頭研制的“生物科普試驗(yàn)載荷”項(xiàng)目獲得成功。

重慶大學(xué)的“生物科普試驗(yàn)載荷”項(xiàng)目，是在嫦娥四號(hào)面向全國(guó)征集“月球探測(cè)載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)征集活動(dòng)”的近300份作品中脫穎而出的，并于2016年底被最終確定為搭載項(xiàng)目之一。這既是人類首次在月球背面進(jìn)行生物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，也是人類首次在月面嘗試以較高等生物構(gòu)建太空生態(tài)系統(tǒng)。

從2019年1月3日23：18，嫦娥四號(hào)登陸月球第一天生物科普試驗(yàn)開始，到1月12日20：03：34載荷斷電關(guān)機(jī)，生物科普實(shí)驗(yàn)按計(jì)劃順利完成，部分指標(biāo)甚至超過預(yù)期。“以前科學(xué)家在空間站以及其他航天器上開展過多次生物試驗(yàn)，但月球上還從未有過。”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)謝更新教授表示，團(tuán)隊(duì)通過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)，已初步實(shí)現(xiàn)人類首次月面生物試驗(yàn)，大量珍貴的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，將對(duì)人類今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

6名“旅客”

有幸享受本次太空旅行的6名“旅客”，是馬鈴薯、油菜、棉花、擬南芥、果蠅、酵母。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，通過消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，供植物進(jìn)行光合作用。在此過程中，酵母可以靠分解植物和果蠅廢棄物生長(zhǎng)，又可以作為果蠅的食物。如此循環(huán)往復(fù)，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)就此形成。

看似簡(jiǎn)單的6種生物，卻是經(jīng)歷上百次物種篩選，無數(shù)次生物實(shí)驗(yàn)后勝出的“佼佼者”。首要條件是“個(gè)子小”，因?yàn)檫M(jìn)行生物科普試驗(yàn)的空間有限，里面的動(dòng)植物不能占用過多空間。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，符合條件的動(dòng)植物必須耐高溫、耐凍，還要能抗輻射和抗干擾。為此，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)課題組歷經(jīng)兩年，從云南深山懸崖到新疆沙漠地區(qū)，找遍各種能在極端條件下生存的生物物種，挑選了上百種植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、篩選。

土豆和擬南芥被確定后，團(tuán)隊(duì)從生物的多樣性上考慮，又?jǐn)U大了參與實(shí)驗(yàn)的植物范圍。根據(jù)罐內(nèi)資源變化進(jìn)行數(shù)百次試驗(yàn)后，棉花種子最先發(fā)芽，接著發(fā)芽的是油菜種子，它們因此獲得了珍貴的入選機(jī)會(huì)。

太空生物學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人告訴我們，在生物種類的篩選過程中，除了要實(shí)現(xiàn)在月球表面環(huán)境下植物種子發(fā)芽和幼蟲成長(zhǎng)的最低目標(biāo)，還要基于未來進(jìn)一步開展太空生物學(xué)研究的長(zhǎng)遠(yuǎn)考量，以為將來人類進(jìn)入月球乃至地外星球生存提供保障。

糧、棉、油是人類賴以生存的最基本需求，“馬鈴薯是大家熟悉的食物，很有可能是以后太空里的主食。我們這次選擇的土豆是特別培育的小個(gè)子品種。油菜則是太空食物中不可或缺的油料保障。”值得一提的是，本次入選的棉花種子是低酚棉，俗稱“無毒棉”。“因抗蟲害需要，目前在地球上普遍使用的是高酚棉品種，在對(duì)月表面生態(tài)環(huán)境進(jìn)行充分研究后，我們發(fā)現(xiàn)，在地球上不適用的低酚棉，卻能很好地適應(yīng)太空環(huán)境。”團(tuán)隊(duì)成員向我們介紹道。“好鄰居”擬南芥、果蠅、酵母，則因其作為全球科學(xué)家研究生物的模式物種，生長(zhǎng)周期短，能夠在短時(shí)間內(nèi)展示完整的生命過程而得以入選，便于研究生物生長(zhǎng)發(fā)育和代謝規(guī)律。

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，項(xiàng)目組同時(shí)開展了地、月對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括同一個(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（開放空間）的生長(zhǎng)發(fā)育情況對(duì)比。

2019年1月3日晚23：50分，地面試驗(yàn)載荷與月表載荷同步注水，對(duì)照試驗(yàn)正式開始。1月12日，地面對(duì)照實(shí)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。開放環(huán)境下，可見油菜、棉花和馬鈴薯種子萌芽，幼苗呈茂盛生長(zhǎng)趨勢(shì)。

“這是全人類第一次在月球上做生物實(shí)驗(yàn)，并且成功地長(zhǎng)出了綠色植物。雖然這次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間只有212.75小時(shí)，但我們拿到了大量的珍貴的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為以后研究打下了基礎(chǔ)。”重慶大學(xué)副校長(zhǎng)、科普載荷項(xiàng)目總指揮劉漢龍說。

在月面進(jìn)行9天的發(fā)芽和生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)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)部所攜帶的六種生物結(jié)束了本次科普試驗(yàn)使命，處于冷凍狀態(tài)。待下一個(gè)月晝期溫度上升后，這六種生物會(huì)被慢慢分解成無害的有機(jī)物，并將永久封存在生物科普試驗(yàn)載荷內(nèi)。

吃百家飯的“罐子”

為保證整個(gè)微型生態(tài)系統(tǒng)的順利搭建，讓種子、昆蟲卵在里面安家落戶，設(shè)計(jì)一個(gè)符合各種嚴(yán)苛條件的科普載荷裝置就成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。經(jīng)過近三年的設(shè)計(jì)攻關(guān)，最終，一個(gè)高21厘米，直徑17厘米，凈容積0.8升的圓柱形特殊鋁合金“罐子”展現(xiàn)在我們的眼前。

“這個(gè)小小的自主控溫密封設(shè)備雖然總重量只有3公斤，但麻雀雖小五臟俱全。機(jī)、電、熱、通信、控制等系統(tǒng)都有，就是一個(gè)小的航天器。”謝更新教授向我們揭秘了其中的“乾坤”：“它有40多個(gè)總部件，由結(jié)構(gòu)模塊、控制模塊、熱控模塊、生物模塊、導(dǎo)光模塊等構(gòu)成，為微型生態(tài)系統(tǒng)提供了生物生長(zhǎng)的光、熱、水、土壤等必要條件，還安裝有主、副兩個(gè)照相機(jī)，以記錄動(dòng)植物生長(zhǎng)情況。”

為給生物營(yíng)造一個(gè)適宜生存的環(huán)境，技術(shù)團(tuán)隊(duì)想盡辦法完善載荷的各方面細(xì)節(jié)。他們讓“罐子”外“穿”保暖衣，以經(jīng)受月表面劇烈溫差的考驗(yàn);內(nèi)部則裝上了能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的“空調(diào)系統(tǒng)”，使環(huán)境溫度適中保持在25攝氏度左右。植物可通過載荷頂部蓋板上的光導(dǎo)管吸收月面自然光，進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣。水倉室里的電磁泵可將20ml生物專用水通過水管釋放到生物艙表面，為生物生長(zhǎng)提供水分。

由于沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，團(tuán)隊(duì)曾遭遇過多次突發(fā)性技術(shù)難題，經(jīng)歷了幾次“歸零”危機(jī)。在一次低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備在持續(xù)低溫8小時(shí)以后就開始漏氣。團(tuán)隊(duì)反復(fù)開會(huì)討論、驗(yàn)證解決方案，結(jié)果各種“堵漏”均以失敗告終。“不行就從密封材料上找突破口，一定要把問題找出來！”謝更新教授爭(zhēng)分奪秒地與和團(tuán)隊(duì)開會(huì)討論，轉(zhuǎn)變思路尋找替換新材料。找到突破口后，團(tuán)隊(duì)成員連夜攜帶設(shè)備趕赴西安，和密封圈研制專家溝通，重新選材，協(xié)調(diào)生產(chǎn)單位立即開模、在現(xiàn)場(chǎng)跟產(chǎn)……不到三天，密封圈就完成了生產(chǎn)，經(jīng)嚴(yán)格試驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足探測(cè)器總體的漏率指標(biāo)。

設(shè)備研制及試驗(yàn)工作完成后，載荷在送往西昌衛(wèi)星發(fā)射基地組裝時(shí)又出現(xiàn)了新的問題。西昌海拔高、氣壓低，82千帕的氣壓和重慶的氣壓（99千帕）環(huán)境有所不同。“氣壓的微小差異不一定影響植物生長(zhǎng)，但科學(xué)研究是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模傩〉膯栴}，我們都能不放過。”團(tuán)隊(duì)成員張?jiān)獎(jiǎng)渍f。

時(shí)間緊急，自然條件又不能改變，這可怎么辦？大家急中生智，先把載荷運(yùn)到臨近的成都組裝好，再連夜運(yùn)回西昌。從成都到西昌一路顛簸，他們就用海綿與冰凍的礦泉水細(xì)心包裹設(shè)備，仿佛在護(hù)送襁褓中的嬰兒一般。抵達(dá)西昌基地后，團(tuán)隊(duì)幾人立刻開始測(cè)試設(shè)備，直到凌晨?jī)牲c(diǎn)多，所有數(shù)據(jù)正常，大家懸著的心這才放下。

為做出最科學(xué)的“罐子”，團(tuán)隊(duì)先后赴15省、50余家企事業(yè)單位進(jìn)行技術(shù)交流，對(duì)其進(jìn)行了50余次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，100余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，近百次評(píng)審匯報(bào)及評(píng)估，才得以完美收官。也難怪謝更新教授感慨：“它是吃著百家飯，集眾人之力長(zhǎng)大的。”

2018年12月8日凌晨，科普載荷隨著嫦娥四號(hào)順利升空，整個(gè)團(tuán)隊(duì)既振奮又緊張。“看著自己投入近三年精力的科普載荷順利升空，真像牽掛出嫁的女兒一樣，又高興又不舍。”參與科普載荷生物模塊任務(wù)的邱丹興奮地說。