到月球上“种菜”去

▲嫦娥四号生物科普试验载荷中的棉花种子发芽。◤“月面微型生态圈”模型内部(据新华社)。如果你看过前些年的美国大片《火星救援》,可能会对一个细节印象深刻——宇航员马克独自在火星,将居住舱变成火星土豆农场,靠种土豆、吃土豆生存500天。这个大片里的场景,最近被中国科学家变为现实。1月15日,嫦娥四号上搭载的生物科普试验载荷发布了最新试验照片,显示试验搭载的棉花种子已经长出了嫩芽,这也标志着嫦娥四号完成了人类在月面进行的首次生物试验。“月面微型生态圈”的试验,对人类未来雄心勃勃的太空拓展计划意味着什么呢?

本报记者王昱

罐中乾坤大

想要讲清“月面微型生态圈”的意义,最好的切入点还得从《火星救援》说起。在影片中,编剧为观众们描绘了这样一个移民太空的未来——宇航员到达目标星球并初步站稳脚跟后,便不再需要从地球运输给养,而是当起了“自己动手,丰衣足食”的太空农夫。

事实上,这个设想目前也被认为是人类移民外星可能的最好方式。航天发射还比较昂贵,虽然现在技术的进步和航天需求也更大了,总的算下来航天发射成本已经降低了不少,但哪怕是向距离地球最近(38万公里)的月球输送物资仍然是难题。未来如果想把宇航员送上月球,并在其上生活相当长的时间,建设人工生态圈,在设施内利用无土栽培等技术,创造一个稳定持续的生态系统,吃自己种的蔬菜,排泄废物处理后作为植物的肥料,显然是个不错的思路。

嫦娥四号携带的“月面微型生态圈”就是为了试验这种设想,观察植物和小动物生长规律,算是小规模的尝试。

“月面微型生态圈”类似一个圆桶,高18厘米、直径16厘米,由铝合金制作,里面放置了六种生物及培养基、制冷片、加热片、照相机以及控制元器件等多种物品,加上外面的保温壳总重量共三公斤。科学家在这个小空间里创造动植物生长环境,实现生态循环。在真空、微重力、极端温差的外界条件下,“月面微型生态圈”内将保持1℃到30℃及适当的湿度,并通过光导管引进月球表面自然光线,创造植物生长环境。

“月面微型生态圈”通过“桶盖”的光导管导入月球光线,进行植物的光合作用；昆虫卵会生产出植物需要的二氧化碳和粪便等垃圾。在此过程中,观察低重力、强辐射条件下植物的种子发芽、幼苗生长和开花的全过程,或虫卵孵化、幼虫成长发育、破茧成蝶,验证月球环境下种子的呼吸作用与植物的光合作用。在“月面微型生态圈”登陆月球的100天时间里,它将实现自身的微型生态循环。

只有棉花种子发芽

此次“月面微型生态圈”并不是人类第一次让动植物在太空中成长。2016年,美国宇航员斯科特·凯利在NASA空间站中培育出了一朵百日菊,成为第一株在外太空开放的花朵,当时曾一度为NASA圈粉无数。

但需要指出的是,这朵百日菊生长所需的氧气、水分等都是由空间站大环境提供的,本次“月面微型生态圈”试验是一个全封闭环境,位置距离地球38万公里,比离地300多公里的国际空间站遥远得多,所处月面环境也比国际空间站内部复杂得多,其意义不言自明。

“月面微型生态圈”搭载了六种生物,除了棉花种子,还有马铃薯种子、拟南芥种子、油菜种子、果蝇和酵母,看似简单,却是科学家数百次试验选择的结果。由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制,需要参选的动植物具有耐高温、耐冻、抗辐射、抗干扰的特点,从生物多样性上考虑,他们选取了各具代表性的生物。最终试验显示,耐高温的棉花种子实现了发芽,其余耐低温的种子则未能发芽。

对于放水时间的把控,项目设计水仓室携带了一个装有18毫升生物专用水的水袋和电磁泵,并对水管口用新型溶剂封口,确保在月球上才会让水释放到生物舱表面,为生物生长提供水分。

放大版生态圈能成吗

随着航天技术的发展和“微型生态圈”小规模种植越来越成功,很多人开始幻想人类是否真的能在不远的未来在月球建立有相当规模、可供人类长久居住的大型生态圈基地。

不过,大多数学者对这种畅想持谨慎态度。这不仅仅是因为在月球上建立这种生态圈,其航天运输花费将颇为巨大,更因为生态圈在规模扩大后,其复杂程度也成几何倍数增加,维持其运转的难度也骤然升高。所以截至目前,人类非但没有做出过理想的可容人类长久生活的大规模生态圈,反而有不少失败经验。

其中最著名的就是上世纪90年代的“生态圈2号”试验。“生态圈2号”位于美国亚利桑那州,占地1.3万平方米,大约有8层楼高,为圆顶形密封钢架结构玻璃建筑物。它建造于1987年到1989年之间,被用于测试人类是否能在一个封闭的生物圈中生活和工作,也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。

1991年9月,来自美、英、德等国的四男四女八位科学家进入“生物圈2号”,进行两年的全封闭研究。在原计划中,这八位科学家在两年中除依靠外界3.7兆瓦发电厂供电外,其余一切都要按“生态系统”的“循环”准则,实行完全的自给自足。

一年多以后,“生物圈2号”的生态状况急转直下,氧气含量从21%迅速下降到14%,而二氧化碳和二氧化氮的含量却直线上升,大气和海水变酸,很多物种死去,而用来吸收二氧化碳的牵牛花却疯长。大部分脊椎动物死亡,所有的传粉昆虫的死亡造成靠花粉传播繁殖的植物也全部死亡。由于降雨失控,人造沙漠变成了丛林和草地。“生物圈2号”内空气的恶化直接危及了人们的健康,科学家们被迫提前撤出这个“伊甸园”,试验以失败告终。

“生态圈2号”试验的失败让人们认识到:制作一个微型生态圈虽然容易,但建造一个可供人类生存的大规模生态圈却复杂得多。事实上,直到今天,我们甚至还没有搞明白导致该试验失败的元凶究竟是什么。

但可以肯定的是,在近三十年的研究后,重新审视当年这个雄心勃勃的试验,会发现该试验今天看来是相当粗糙的——“生态圈2号”中土壤、大气、海洋的比例与地球的真实比例相去甚远,其中的生物配比尤其是微生物种群数量更是严重失衡。这暴露了策划者事先缺乏审慎思考、调研的结果,并没有用对待一个严谨试验的态度来对待该试验,而更像是一次民间组织的“作秀”。

正因如此,眼下,各国的相关领域科学家们都在倡议再搞一个“生态圈3号”,让人类重拾建立大型生态圈的信心。

可以肯定的是,近三十年来,人类科学技术尤其是信息技术的飞速发展,已经让我们对这种人造生态圈的调控手段更加精密、发达。在严谨调研后,人类建立独立于地球的大规模生态圈的梦想,也许真的可以在不远的将来美梦成真。

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