要說(shuō)我們中國(guó)人有什么民族天賦？種菜絕對(duì)是其中一個(gè)。

無(wú)論是陽(yáng)臺(tái)、天臺(tái)還是南極、太空，中國(guó)人都能憑借著勤勞的雙手和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，種出一片郁郁蔥蔥。

隨著人類(lèi)對(duì)月球的探索越來(lái)越多，擁有種菜天賦的中國(guó)人尤其關(guān)注那個(gè)懸于天際被呼作“白玉盤(pán)”，離我們地球最近的外星球上能開(kāi)展農(nóng)業(yè)種植嗎？

2015年，美國(guó)航天局（NASA）在400公里高度的國(guó)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(wàn)公里之遙的月球上去做這個(gè)生命實(shí)驗(yàn)，植物能不能長(zhǎng)出來(lái)呢？其實(shí)中國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始嘗試了。

2019年1月3日上午10點(diǎn)26分，中國(guó)嫦娥四號(hào)月球探測(cè)完成了人類(lèi)航天史上的一項(xiàng)壯舉——成功軟著陸在月球背面的南極-艾特肯盆地馮?卡門(mén)撞擊坑，在月球背面留下了中國(guó)探月的第一行足跡，揭開(kāi)了古老月球背面的神秘面紗。

“嫦娥四號(hào)” 還搭載有一項(xiàng)科普載荷——“月面微型生態(tài)圈”，期望在荒涼月表上培育生命。

大家好！我是來(lái)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。

文 | 謝更新 重慶大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院院長(zhǎng)

???本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“格致論道講壇”（ID：SELFtalks），原文首發(fā)于2022年2月16日，原標(biāo)題為《我們用9天時(shí)間，種出了月球上第一片綠葉 | 謝更新》，不代表瞭望智庫(kù)觀(guān)點(diǎn)。

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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(guò)120℃，沒(méi)有空氣，還有高能粒子和太陽(yáng)風(fēng)，這些都是不適合生命生存的因素。

國(guó)際上有很多團(tuán)隊(duì)想去月球做一次生命實(shí)驗(yàn)。在2013年，NASA就宣布計(jì)劃于2015年到月球上種菜并創(chuàng)造歷史。在2017年出版的《人類(lèi)2.0》一書(shū)中，科學(xué)記者皮埃羅?斯加魯菲采訪(fǎng)了全球15位頂級(jí)科學(xué)家，其中太空生物采訪(fǎng)了NASA的首席科學(xué)家麥克。這位科學(xué)家認(rèn)為，他的理想就是帶部相機(jī)、帶個(gè)罐子、帶些水、帶些種子去月球上做實(shí)驗(yàn)，再把照片傳下來(lái)，他說(shuō)這將“簡(jiǎn)直棒極了”。

但是一直到現(xiàn)在，我們都沒(méi)看到國(guó)際上的其他國(guó)家在月球上種出了東西，沒(méi)有看到他們的相關(guān)報(bào)道。

現(xiàn)在我們國(guó)家強(qiáng)大了，有了做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的機(jī)遇。在2015年，國(guó)家拿出嫦娥四號(hào)珍貴的3公斤載荷，來(lái)向全球征集方案。

最終，我們團(tuán)隊(duì)提出的“月面微型生態(tài)圈科普載荷”從257個(gè)方案中脫穎而出。我們?cè)噲D在月球上構(gòu)建一個(gè)由生產(chǎn)者、消費(fèi)者和微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行培植實(shí)驗(yàn)。

左：嫦娥三號(hào)，右：嫦娥四號(hào)。

嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份，前者的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、狀態(tài)都跟后者一模一樣。2013年，我國(guó)成功發(fā)射嫦娥三號(hào)，它攜帶月球車(chē)玉兔號(hào)著陸到月球上，這使我國(guó)成為世界上第三個(gè)軟著陸月球的國(guó)家。這也意味著嫦娥四號(hào)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(jiàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)。

不像美國(guó)能在空間站這一龐然大物上做實(shí)驗(yàn)，我們的實(shí)驗(yàn)空間非常狹小，整個(gè)空氣占據(jù)的空間有0.82升，生物生長(zhǎng)的空間是0.42升。當(dāng)時(shí)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(guò)增壓來(lái)壓縮，因?yàn)闆](méi)有其他的機(jī)構(gòu)讓我們?cè)鰤?。只有兩個(gè)控制信號(hào)，就是放水和拍照，因?yàn)殒隙鹚奶?hào)還要做很多其他的需要控制信號(hào)的實(shí)驗(yàn)。

物理溫度控制。

在月球上做生物實(shí)驗(yàn)，需要把溫度控制在-10～40℃，如果低于-10℃或高于40℃，種子都會(huì)死掉。因?yàn)闆](méi)有多余的重量，所以我們不能帶壓縮機(jī)或空調(diào)過(guò)去。更不能帶化學(xué)制冷劑，這違反了國(guó)際上有關(guān)行星保護(hù)的政策。我們只能用物理的散熱片、熱管、熱泵進(jìn)行熱量平衡和交換，所以挑戰(zhàn)非常大。

捕捉太陽(yáng)自然光進(jìn)入罐子。

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，月球上一個(gè)白晝是14×24小時(shí)，所以陽(yáng)光非常充足。但是我們的罐子很小，如果進(jìn)入太多陽(yáng)光的話(huà)，溫度就難以控制。經(jīng)過(guò)計(jì)算，如果既要控制溫度，又能夠滿(mǎn)足光合作用的話(huà)，需要8毫米直徑的陽(yáng)光進(jìn)入量。于是我們留了一點(diǎn)余地，用10毫米直徑的光導(dǎo)管把陽(yáng)光引進(jìn)罐子內(nèi)。

也許有人會(huì)說(shuō)，直接使用白熾燈光或人造光就可以了呀？但是我們認(rèn)為，好不容易到月球做實(shí)驗(yàn)，一定要利用月球的原位資源。

此外，嫦娥四號(hào)有可能會(huì)落在一個(gè)斜坡上或者是一個(gè)石塊上，這樣我們將面臨最?lèi)毫拥那闆r：陽(yáng)光只能從30°的位置切進(jìn)去。大家可以想象得到，這個(gè)角度進(jìn)入的陽(yáng)光會(huì)是很少的。

還有一個(gè)困難是，嫦娥四號(hào)落在月球背面的時(shí)候，它揚(yáng)起的灰塵有10米多高。我們?cè)诘孛孀鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，灰塵會(huì)降落到光導(dǎo)管上面，把光導(dǎo)管全部蓋住。為了解決這個(gè)問(wèn)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(zhǔn)控制放水（18g）。

水是生命之源，而月球上是沒(méi)有任何液態(tài)水的。而且我們要對(duì)攜帶的水進(jìn)行精準(zhǔn)控制：水不能帶太多，汪洋大海是長(zhǎng)不出東西的；不能帶太少，要滿(mǎn)足植物發(fā)芽的需求。經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，我們必須帶18克水上月球。水也是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)關(guān)，一澆水實(shí)驗(yàn)隨即啟動(dòng)。

大家知道，發(fā)射的時(shí)候力學(xué)條件非常惡劣。我們?cè)诘孛孀鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，一經(jīng)力學(xué)振動(dòng)，水就灑出來(lái)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(lái)。為此，我們加了一個(gè)水泵。同時(shí)，為了防止水撒出來(lái)，我們研制了一種溶劑把水管堵住。只有達(dá)到月球上的某個(gè)溫度時(shí)，這個(gè)溶劑會(huì)溶化，水才能夠流出來(lái)。

生物固定和靜置。

除此之外還有其他的難點(diǎn)，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?yàn)闀?huì)有人來(lái)干預(yù)它，只要用手把它解開(kāi)就可以了。月球上沒(méi)有人，如果包得太緊，種子發(fā)芽的時(shí)候就會(huì)沖不出來(lái)；而包得太松的話(huà)，發(fā)射的時(shí)候就會(huì)變成一盤(pán)散沙。我們找不到平衡點(diǎn)，于是想了一個(gè)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(huì)溶化。

靜置也是一個(gè)難點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)就失敗了，因此我們必須精準(zhǔn)控制它的發(fā)芽時(shí)間。這個(gè)植物艙需要在西昌擺2個(gè)月，飛行要飛1個(gè)月，要知道西昌的溫度是特別適合發(fā)芽的。在這3個(gè)月我們不能動(dòng)它，不能做任何控制，我們既要它不死也不能生長(zhǎng)，也要它安全。

高濕度高能粒子照相。

還有一個(gè)難點(diǎn)就是照相。實(shí)驗(yàn)在月球上是否成功，全靠相機(jī)傳回的照片為證。相機(jī)必須有備份，一個(gè)壞了另一個(gè)補(bǔ)上。我們不可能像航天一樣做幾十公斤或幾公斤的相機(jī)，我們的兩個(gè)相機(jī)的總重量只能分配不超過(guò)60克。這兩個(gè)共重60克的相機(jī)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。

9天實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

此外，在月球上面做生物實(shí)驗(yàn)，不像拍照或是探測(cè)那樣短時(shí)間就做完了。生命要有可以觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象變化，至少要幾天甚至幾十天，但我們的時(shí)間最多只有9天。為什么是9天呢？因?yàn)樵虑虻囊粋€(gè)白晝是14天，但是嫦娥四號(hào)不可能在月球上白晝的第1天就著陸，為什么？因?yàn)闇囟忍?，?yáng)光太少，所以要等月面的溫度比較柔和的時(shí)候才能夠著陸。

嫦娥四號(hào)于2019年1月3日10點(diǎn)26分著陸，那時(shí)太陽(yáng)高度是36°多一點(diǎn)。嫦娥四號(hào)也不可能很晚才關(guān)機(jī)，它必須在太陽(yáng)下山之前就關(guān)機(jī)。因?yàn)樵谔?yáng)下山之前，溫度會(huì)急劇下降，這樣儀器就控制不了了。所以我們只有9個(gè)地球日的時(shí)間。值得高興的是，我們爭(zhēng)分奪秒，在8天22個(gè)小時(shí)45分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)。

2

誰(shuí)是月球生物實(shí)驗(yàn)的“主角”？

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(dòng)物和微生物。對(duì)于植物而言，我們首先考慮的是將來(lái)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(shí)候著陸、什么時(shí)候做實(shí)驗(yàn)，所以被選擇的種子的發(fā)芽溫度要錯(cuò)開(kāi)。

我們對(duì)于動(dòng)物的選擇也很講究。我們從上百種動(dòng)物里面挑選了幾種動(dòng)物，首先選的是烏龜，因?yàn)闉觚斢幸粋€(gè)殼，所以它在發(fā)射的時(shí)候可以保護(hù)自己，而且烏龜還不喜歡運(yùn)動(dòng)。此外，烏龜還有一個(gè)很好的寓意，即龜兔賽跑：當(dāng)小玉兔停在月球上時(shí)，就讓烏龜爬上去。不過(guò)，雖然烏龜不好動(dòng)，但它還是需要呼吸的。它在休眠的時(shí)候，只用不到20天的時(shí)間，就會(huì)把容器里面的氧氣全部吸干。而著陸器要經(jīng)過(guò)3個(gè)月才能抵達(dá)月球，所以烏龜還沒(méi)到月球就會(huì)死掉，我們無(wú)法用它做實(shí)驗(yàn)。

我們還選擇了蠶作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，蠶也是一個(gè)寓意很吉祥的物種，是絲綢之路的象征，代表中國(guó)的強(qiáng)大。但是蠶很嬌嫩，它的生長(zhǎng)適宜溫度是20～27℃，如果溫度太高或太低它都會(huì)不吃不喝。為了解決這一問(wèn)題，我們帶上了一塊電池，借此為它保溫、調(diào)溫。

但是在2018年2月進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估的時(shí)候，正好出現(xiàn)了三星Note7爆炸的事件，很多專(zhuān)家擔(dān)心電池帶到天上有可能會(huì)爆炸。所以我們只有忍痛割?lèi)?ài)，把蠶去掉，把電池也拔掉。這個(gè)時(shí)候我們所剩的時(shí)間不多了，無(wú)法再做其他的設(shè)計(jì)，于是我們就選擇了一個(gè)生物學(xué)的模式動(dòng)物——果蠅。

最后，我們選定上圖的六個(gè)物種搭配在月球上做實(shí)驗(yàn)，形成一個(gè)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(jì)的“月球載荷生物試驗(yàn)”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?yàn)椴荒軒щ姵厣显虑?，而我們又沒(méi)有時(shí)間去做其他設(shè)計(jì)了，所以剩下的那非常珍貴的300多克就沒(méi)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(shí)驗(yàn)，雖然搖搖晃晃，但是有這個(gè)空間就已經(jīng)不錯(cuò)了。

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(jìn)入裝置內(nèi)，我們就在生物板上0.42升的生物成長(zhǎng)空間來(lái)做實(shí)驗(yàn)，底下的是控制板等，旁邊黑色的是散熱片。我們通過(guò)散熱片進(jìn)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(tuán)隊(duì)。

這是我們團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)內(nèi)還有研究環(huán)境、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、生物、通信、控制等領(lǐng)域的學(xué)者，是一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)。

3

月球第一片綠葉誕生

2019年1月3日10點(diǎn)26分，嫦娥四號(hào)落在了月球上。由于嫦娥四號(hào)總體要做很多實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)等，所以到了晚上23點(diǎn)18分，總體才告訴我們可以做實(shí)驗(yàn)了。于是我們馬上就進(jìn)行加電、拍照，這兩者是同時(shí)觸發(fā)的。

2019年1月3日23點(diǎn)18分。

大家看到拍下來(lái)的第一張照片后松了一口氣，因?yàn)闆](méi)有出現(xiàn)很多專(zhuān)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(cè)到的氣壓是1.04個(gè)大氣壓，也就是說(shuō)這3個(gè)月幾乎沒(méi)有漏氣的情況。而且當(dāng)時(shí)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(lái)，實(shí)驗(yàn)就有可能成功。

2019年1月3日23點(diǎn)48分。

半個(gè)小時(shí)后，總體給我們指令說(shuō)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。

2019年1月4日21點(diǎn)43分。

上圖圓圈圈出的黃色的光就是月球上的太陽(yáng)光，這說(shuō)明光也進(jìn)來(lái)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(shí)驗(yàn)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(gè)小綠點(diǎn)。但那時(shí)我們不敢說(shuō)種子已經(jīng)發(fā)芽了，因?yàn)槲覀儞?dān)心這個(gè)綠點(diǎn)可能不是種子發(fā)芽了，也可能是一個(gè)螺絲釘?shù)粝聛?lái)了發(fā)霉了，或者是一個(gè)腐敗的種子。

2019年1月5日08點(diǎn)54分。

2019年1月5日，種子一點(diǎn)點(diǎn)長(zhǎng)大了，這時(shí)我們有一點(diǎn)興奮了。

2019年1月7日09點(diǎn)56分。

直到1月7日，我們看到種子長(zhǎng)出了一片葉子，我們便確定實(shí)驗(yàn)成功了。我們向國(guó)家總體作了報(bào)告，再由總體跟航天局匯報(bào)。2019年1月7日晚上大概8點(diǎn)左右，航天局局長(zhǎng)帶了一批人到我們工位上查看，大家確認(rèn)種子發(fā)芽了，所以就向全球公布了這張照片。

我們還在地面上還做了一個(gè)同步實(shí)驗(yàn)，這個(gè)同步實(shí)驗(yàn)在1月7日才看到芽點(diǎn)，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(gè)葉片有什么不同？它的根不是往土里扎的，是橫著生長(zhǎng)的；而且葉子不是展開(kāi)的，它像包菜一樣包起來(lái)了。這就是說(shuō)在月球環(huán)境下，葉片的形態(tài)和生長(zhǎng)機(jī)理發(fā)生了一些變化。

月球生物實(shí)驗(yàn)引起國(guó)際轟動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)成功后，2019年1月13日，中央電視臺(tái)向全球發(fā)布了這個(gè)消息，引起了國(guó)際轟動(dòng)。Nature 稱(chēng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)是“first time ever”，Science 則說(shuō)它是“in a first for humankind”。人類(lèi)的第一次月球生物實(shí)驗(yàn)由中國(guó)人實(shí)現(xiàn)了。2019年10月，我受法國(guó)航天機(jī)構(gòu)邀請(qǐng)去做了個(gè)報(bào)告，我查了一下國(guó)際上有5720萬(wàn)條新聞，不是點(diǎn)擊量。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)取得了成功，我們和各位肯定對(duì)月球的下一步、對(duì)人類(lèi)地外生存的下一步有很多暢想。

比如，未來(lái)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(chǎng)、建農(nóng)場(chǎng)，吃我們?cè)谠虑蛏戏N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(lèi)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！