中國科學(xué)家用9天的時間，種出了地球上地一片綠葉，月球生物實驗引起國際轟動。
???本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“格致論道講壇”（ID：SELFtalks），原文首發(fā)于2022年2月16日，原標題為《我們用9天時間，種出了月球上第一片綠葉 | 謝更新》，不代表制造界觀點。
2015年，美國航天局（NASA）在400公里高度的國際空間站里培育出了宇宙空間里的第一朵百日菊。那么，如果在38萬公里之遙的月球上去做這個生命實驗，植物能不能長出來呢？其實中國的科學(xué)家們已經(jīng)開始嘗試了。
2019年1月3日上午10點26分，中國嫦娥四號月球探測完成了人類航天史上的一項壯舉——成功軟著陸在月球背面的南極-艾特肯盆地馮?卡門撞擊坑，在月球背面留下了中國探月的第一行足跡，揭開了古老月球背面的神秘面紗。
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“嫦娥四號” 還搭載有一項科普載荷——“月面微型生態(tài)圈”，期望在荒涼月表上培育生命。
以下視頻來源于格致論道講壇
大家好！我是來自重慶大學(xué)的謝更新，今天想向大家分享一下“月球上的第一片綠葉”的故事。
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到月球上種菜有多難
月球是不適合生命生存的。月球夜晚的溫度在-200℃以下，白天超過120℃，沒有空氣，還有高能粒子和太陽風(fēng)，這些都是不適合生命生存的因素。
國際上有很多團隊想去月球做一次生命實驗。在2013年，NASA就宣布計劃于2015年到月球上種菜并創(chuàng)造歷史。在2017年出版的《人類2.0》一書中，科學(xué)記者皮埃羅?斯加魯菲采訪了全球15位頂級科學(xué)家，其中太空生物采訪了NASA的首席科學(xué)家麥克。這位科學(xué)家認為，他的理想就是帶部相機、帶個罐子、帶些水、帶些種子去月球上做實驗，再把照片傳下來，他說這將“簡直棒極了”。
最終，我們團隊提出的“月面微型生態(tài)圈科普載荷”從257個方案中脫穎而出。我們試圖在月球上構(gòu)建一個由生產(chǎn)者、消費者和微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)來進行培植實驗。
左：嫦娥三號，右：嫦娥四號。
嫦娥四號是嫦娥三號的備份，前者的生產(chǎn)、設(shè)計、狀態(tài)都跟后者一模一樣。2013年，我國成功發(fā)射嫦娥三號，它攜帶月球車玉兔號著陸到月球上，這使我國成為世界上第三個軟著陸月球的國家。這也意味著嫦娥四號在2013年就已經(jīng)全部做完了，它的位置、空間全部都已布置完成。我們只能見縫插針地用僅有的3公斤重量、在200×200×200毫米的小空間做這個實驗。
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不像美國能在空間站這一龐然大物上做實驗，我們的實驗空間非常狹小，整個空氣占據(jù)的空間有0.82升，生物生長的空間是0.42升。當(dāng)時著陸器的底板上已經(jīng)擺不下任何東西了，所以我們所有的器材都只能掛在著陸器的天花板上。而且我們的空氣不能通過增壓來壓縮，因為沒有其他的機構(gòu)讓我們增壓。只有兩個控制信號，就是放水和拍照，因為嫦娥四號還要做很多其他的需要控制信號的實驗。
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物理溫度控制。
在月球上做生物實驗，需要把溫度控制在-10～40℃，如果低于-10℃或高于40℃，種子都會死掉。因為沒有多余的重量，所以我們不能帶壓縮機或空調(diào)過去。更不能帶化學(xué)制冷劑，這違反了國際上有關(guān)行星保護的政策。我們只能用物理的散熱片、熱管、熱泵進行熱量平衡和交換，所以挑戰(zhàn)非常大。
捕捉太陽自然光進入罐子。
萬物生長靠太陽，月球上一個白晝是14×24小時，所以陽光非常充足。但是我們的罐子很小，如果進入太多陽光的話，溫度就難以控制。經(jīng)過計算，如果既要控制溫度，又能夠滿足光合作用的話，需要8毫米直徑的陽光進入量。于是我們留了一點余地，用10毫米直徑的光導(dǎo)管把陽光引進罐子內(nèi)。
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也許有人會說，直接使用白熾燈光或人造光就可以了呀？但是我們認為，好不容易到月球做實驗，一定要利用月球的原位資源。
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此外，嫦娥四號有可能會落在一個斜坡上或者是一個石塊上，這樣我們將面臨最惡劣的情況：陽光只能從30°的位置切進去。大家可以想象得到，這個角度進入的陽光會是很少的。
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還有一個困難是，嫦娥四號落在月球背面的時候，它揚起的灰塵有10米多高。我們在地面做實驗時，灰塵會降落到光導(dǎo)管上面，把光導(dǎo)管全部蓋住。為了解決這個問題，我們把光導(dǎo)管做成中間高、四周低的形狀，然后在光導(dǎo)管表面涂上一層我們研制的涂料，避免月塵粘上去。
精準控制放水（18g）。
水是生命之源，而月球上是沒有任何液態(tài)水的。而且我們要對攜帶的水進行精準控制：水不能帶太多，汪洋大海是長不出東西的；不能帶太少，要滿足植物發(fā)芽的需求。經(jīng)過精確計算，我們必須帶18克水上月球。水也是我們這個實驗的開關(guān)，一澆水實驗隨即啟動。
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大家知道，發(fā)射的時候力學(xué)條件非常惡劣。我們在地面做實驗時，一經(jīng)力學(xué)振動，水就灑出來了。此外，月球重力是地球的1/6，在這低重力的條件下，水可能放不出來。為此，我們加了一個水泵。同時，為了防止水撒出來，我們研制了一種溶劑把水管堵住。只有達到月球上的某個溫度時，這個溶劑會溶化，水才能夠流出來。
生物固定和靜置。
除此之外還有其他的難點，比如生物固定。在空間站里，生物固定主要是用紗布或絲網(wǎng)固定包裹，生物可以包得很緊，因為會有人來干預(yù)它，只要用手把它解開就可以了。月球上沒有人，如果包得太緊，種子發(fā)芽的時候就會沖不出來；而包得太松的話，發(fā)射的時候就會變成一盤散沙。我們找不到平衡點，于是想了一個辦法：用水溶棉作為固定材料，而到月球上水一澆下去，水溶棉就會溶化。
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靜置也是一個難點。種子只能在月球上發(fā)芽，如果它在地面發(fā)芽或者死掉，實驗就失敗了，因此我們必須精準控制它的發(fā)芽時間。這個植物艙需要在西昌擺2個月，飛行要飛1個月，要知道西昌的溫度是特別適合發(fā)芽的。在這3個月我們不能動它，不能做任何控制，我們既要它不死也不能生長，也要它安全。
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高濕度高能粒子照相。
還有一個難點就是照相。實驗在月球上是否成功，全靠相機傳回的照片為證。相機必須有備份，一個壞了另一個補上。我們不可能像航天一樣做幾十公斤或幾公斤的相機，我們的兩個相機的總重量只能分配不超過60克。這兩個共重60克的相機既要抗高溫、抗低溫、抗輻射，還要抗高濕度，可想而知，難度與挑戰(zhàn)性是很高的。
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9天實驗時間。
此外，在月球上面做生物實驗，不像拍照或是探測那樣短時間就做完了。生命要有可以觀測到的現(xiàn)象變化，至少要幾天甚至幾十天，但我們的時間最多只有9天。為什么是9天呢？因為月球的一個白晝是14天，但是嫦娥四號不可能在月球上白晝的第1天就著陸，為什么？因為溫度太低，陽光太少，所以要等月面的溫度比較柔和的時候才能夠著陸。
嫦娥四號于2019年1月3日10點26分著陸，那時太陽高度是36°多一點。嫦娥四號也不可能很晚才關(guān)機，它必須在太陽下山之前就關(guān)機。因為在太陽下山之前，溫度會急劇下降，這樣儀器就控制不了了。所以我們只有9個地球日的時間。值得高興的是，我們爭分奪秒，在8天22個小時45分鐘的時間內(nèi)完成了實驗。
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誰是月球生物實驗的“主角”？
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物種的選擇也非常的重要。前面我們提到微型生態(tài)圈必須包括植物、動物和微生物。對于植物而言，我們首先考慮的是將來航天員到月球上吃什么、穿什么、用什么，因此選擇的物種必須是生活必需品；這些物種還必須具備抗高溫、抗低溫、抗逆性等能力；此外，不同種子發(fā)芽所需的溫度不同，比如棉花是在高溫下才發(fā)芽的植物。而我們不清楚著陸器什么時候著陸、什么時候做實驗，所以被選擇的種子的發(fā)芽溫度要錯開。
我們對于動物的選擇也很講究。我們從上百種動物里面挑選了幾種動物，首先選的是烏龜，因為烏龜有一個殼，所以它在發(fā)射的時候可以保護自己，而且烏龜還不喜歡運動。此外，烏龜還有一個很好的寓意，即龜兔賽跑：當(dāng)小玉兔停在月球上時，就讓烏龜爬上去。不過，雖然烏龜不好動，但它還是需要呼吸的。它在休眠的時候，只用不到20天的時間，就會把容器里面的氧氣全部吸干。而著陸器要經(jīng)過3個月才能抵達月球，所以烏龜還沒到月球就會死掉，我們無法用它做實驗。
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我們還選擇了蠶作為實驗對象，蠶也是一個寓意很吉祥的物種，是絲綢之路的象征，代表中國的強大。但是蠶很嬌嫩，它的生長適宜溫度是20～27℃，如果溫度太高或太低它都會不吃不喝。為了解決這一問題，我們帶上了一塊電池，借此為它保溫、調(diào)溫。
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但是在2018年2月進行獨立評估的時候，正好出現(xiàn)了三星Note7爆炸的事件，很多專家擔(dān)心電池帶到天上有可能會爆炸。所以我們只有忍痛割愛，把蠶去掉，把電池也拔掉。這個時候我們所剩的時間不多了，無法再做其他的設(shè)計，于是我們就選擇了一個生物學(xué)的模式動物——果蠅。
最后，我們選定上圖的六個物種搭配在月球上做實驗，形成一個微型生態(tài)系統(tǒng)。
左：結(jié)構(gòu)示意圖，右：安裝位置示意圖
這就是我們最終設(shè)計的“月球載荷生物試驗”罐子，它高198毫米，直徑173毫米，重量2.608公斤。為什么只有2.608公斤呢？因為不能帶電池上月球，而我們又沒有時間去做其他設(shè)計了，所以剩下的那非常珍貴的300多克就沒用上。大家可以看到右圖上的紅圈，它倒掛在著陸器天花板上做實驗，雖然搖搖晃晃，但是有這個空間就已經(jīng)不錯了。
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載荷裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
這是內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，在月球上，光直接從光導(dǎo)管進入裝置內(nèi)，我們就在生物板上0.42升的生物成長空間來做實驗，底下的是控制板等，旁邊黑色的是散熱片。我們通過散熱片進行物理散熱，在外面100多℃的情況下，讓裝置內(nèi)部的溫度保持在20多℃。
生物載荷團隊。
這是我們團隊在西昌上發(fā)射塔之前（2018年10月5日）拍的照片，我是研究環(huán)境生態(tài)的，而我們團隊內(nèi)還有研究環(huán)境、機械、結(jié)構(gòu)、生物、通信、控制等領(lǐng)域的學(xué)者，是一個跨學(xué)科的團隊。
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月球第一片綠葉誕生
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2019年1月3日10點26分，嫦娥四號落在了月球上。由于嫦娥四號總體要做很多實驗、檢測等，所以到了晚上23點18分，總體才告訴我們可以做實驗了。于是我們馬上就進行加電、拍照，這兩者是同時觸發(fā)的。
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2019年1月3日23點18分。
大家看到拍下來的第一張照片后松了一口氣，因為沒有出現(xiàn)很多專家所擔(dān)心的郁郁蔥蔥或枯枝敗葉的情況，我們拍下的照片跟地面的一模一樣。我們測到的氣壓是1.04個大氣壓，也就是說這3個月幾乎沒有漏氣的情況。而且當(dāng)時外面的溫度已有100多℃了，但裝置里面只有30.6℃。所以只要種子不死，水能夠放出來，實驗就有可能成功。
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2019年1月3日23點48分。
半個小時后，總體給我們指令說可以放水了，我們就把18克水一次性放完。大家可以看到，板子上像水珠一樣的東西就是我們研制的溶劑，它只有在月球上才能溶化。
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2019年1月4日21點43分。
上圖圓圈圈出的黃色的光就是月球上的太陽光，這說明光也進來了。既然有光、有水、有空氣，溫度也合適，那么只要種子不壞，我們實驗就有可能成功。這是2019年1月4日拍的照片，大家可以看到照片中有個小綠點。但那時我們不敢說種子已經(jīng)發(fā)芽了，因為我們擔(dān)心這個綠點可能不是種子發(fā)芽了，也可能是一個螺絲釘?shù)粝聛砹税l(fā)霉了，或者是一個腐敗的種子。
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2019年1月5日08點54分。
2019年1月5日，種子一點點長大了，這時我們有一點興奮了。
直到1月7日，我們看到種子長出了一片葉子，我們便確定實驗成功了。我們向國家總體作了報告，再由總體跟航天局匯報。2019年1月7日晚上大概8點左右，航天局局長帶了一批人到我們工位上查看，大家確認種子發(fā)芽了，所以就向全球公布了這張照片。
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我們還在地面上還做了一個同步實驗，這個同步實驗在1月7日才看到芽點，所以種子在月球上比在地球上早發(fā)芽將近3天。
棉花種子發(fā)芽
大家看看1月7日的這個葉片有什么不同？它的根不是往土里扎的，是橫著生長的；而且葉子不是展開的，它像包菜一樣包起來了。這就是說在月球環(huán)境下，葉片的形態(tài)和生長機理發(fā)生了一些變化。
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月球生物實驗引起國際轟動。
實驗成功后，2019年1月13日，中央電視臺向全球發(fā)布了這個消息，引起了國際轟動。Nature 稱這個實驗是“first time ever”，Science 則說它是“in a first for humankind”。人類的第一次月球生物實驗由中國人實現(xiàn)了。2019年10月，我受法國航天機構(gòu)邀請去做了個報告，我查了一下國際上有5720萬條新聞，不是點擊量。
這個實驗取得了成功，我們和各位肯定對月球的下一步、對人類地外生存的下一步有很多暢想。
比如，未來我們可以在月球上建花園，讓航天員呼吸到由光合作用產(chǎn)生的氧氣。我們也許要在月球建食物工廠、建農(nóng)場，吃我們在月球上種的食物。最終建立我們自己的月球基地。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類正在不停地拓展地外生存空間。我們可以一起努力，一起暢想！謝謝大家！
