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月球表面的第一抹生命绿色 ——探秘“嫦娥四号”上的“月面微型生态圈”


文章来源:中国自然资源报  点击次数:发布日期:2019-03-20 14:33:14


“我心向月”月球探测载荷创意设计颁奖典礼


2018年12月8日凌晨,由教育部深空探测联合研究中心(以下简称”深空中心”)组织、重庆大学牵头设计的“生物科普试验载荷”项目搭乘“嫦娥四号”的便车,展开了一次前所未有的旅行。

时隔一个月,该生物科普载荷试验发布了一系列照片,公布了试验搭载的棉花种子从发出胚根到长出嫩芽的过程。这是在经历月球低重力、强辐射、高温差等严峻环境考验后,月球上长出的第一株植物嫩芽,也是月球表面的第一抹“生命绿色”。

人类航天活动开展了几十年,动植物上天早已不是新鲜事,但在月球表面开展生物学试验尚属首次。而且与去年国际空间站开出的外太空第一朵花不同,本次“月面微型生态圈”试验位置距离地球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。那么试验究竟是怎样的呢?下面我们一起来看看吧。

为什么送上月球?

为了充分发挥探月工程的牵引带动作用,激发社会公众和青少年探索宇宙的热情,2015年,国家国防科工局、教育部、中国科学院、中国科协、共青团中央五部委联合举办了“我心向月”月球探测载荷创意设计征集活动,首次面向全国大、中学生和科技爱好者征集创意设计。

经过初选、院士专家组初评、公众网络投票、公示、院士专家组终评等层层筛选,来自重庆大学的“月面微型生态圈科普载荷”项目凭借其“创新性突出”“科普效果好”的特点,在257个创想中脱颖而出,成为备选方案之一,后经探月工程“两总”系统研究确定为“嫦娥四号”搭载载荷,并命名为“生物科普试验载荷”。

该项目由教育部深空探测联合研究中心主任、中国工程院副院长钟志华院士首先以微型生态系统为雏形提出创意,后由教育部深空探测中心组织、重庆大学牵头设计。

科普,是本次载荷项目最基本也是最重要的使命。项目团队通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下动植物的生长发育状态,为人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。同时,该项目希望通过生物科普载荷试验的实施,推动生物学知识的普及,加深普通民众对生物学原理的了解;宣传我国探月工程成果,激发人们对宇宙探索和科学研究的兴趣,提高人们的环境保护意识。

“这是人类第一次在月面上做生物生长试验,以前科学家在空间站以及其他航天器上开展过多次生物试验,但月球上还从未有过。生物科普载荷试验已初步实现人类首次月面生物试验,在荒芜的月球上培育出第一株植物嫩芽,并随时间的推移,成功实现人类有史以来第一片在月球生长的绿叶,对人类今后建立月球基地提供研究基础和经验,具有重大意义。”教育部深空探测联合研究中心副主任、生物科普试验载荷总设计师、重庆大学先进技术研究院院长谢更新说。



月面微型生态圈示意图


月面微型生态圈实验模型

小罐子里乾坤大

月球上要空气没空气,要水没水,缺少大气层和磁场的保护,在月球的每个角落都充满了宇宙射线和高能粒子,更可怕的是最大温差达到300摄氏度!而且试验正式启动前,“月面微型生态圈” 承受巨大的压力,冲破重重困难,陪伴着“嫦娥四号”历经长达29天的奔袭,之后还经历了月昼一天中最高的温度。

这样的情况下,棉花种子竟然还能长出嫩芽,称之为奇迹绝不为过。那么,这个奇迹是如何实现的呢? 

首先我们来看看这个承载了“月面微型生态圈”的小罐子。

由于载荷大小和重量均有严格限制,这个小罐子并不大,是由一种特殊铝合金材料制成的,罐子是圆柱形的,高18厘米,直径16厘米,净容积约0.8升,总重量为2.608千克。罐子表面还贴有中国国旗。

别看外表简单,这个罐体技术含量其实很高,它是一个高度密封的抗压容器,而且特别针对长期零下57℃低温微弱漏气现象采取了密封材料性能优化等多种方法。

罐子这么小,里面有什么呢?

最重要的当然是试验对象——马铃薯种子、拟南芥种子、油菜种子、棉花种子、果蝇卵、酵母6种生物。此外,还有18毫升水、培养基、土壤、空气,以及两个记录生物生长状态的相机。

“麻雀虽小五脏俱全”,为了给载荷内生物营造一个适宜生存的环境,载荷罐体还分别装置了“空调系统”、光导管和水仓室,包括制冷片、加热片,以及控制元器件等多种物品,

要保证科普载荷“月面微型生态圈”能够正常运转,难点在于温度的控制和能源的供给。

为了让“罐子”里保持稳定的适宜生物生存的温度,科学家们给“月面微型生态圈”穿上保温服并装了空调。他们通过20多次的热方案设计及优化,最终确定了通过半导体制冷器、电加热器、散热片及隔热措施相结合的方式,对科普载荷内部进行智能化温度控制。 

聚酯薄膜做成的保温层提供保温,半导体冷热片进行调温,这些都不需要额外提供能源。但是电加热器之类电器却需要“电”才能运行。

而受限于重量控制,小罐子里并没有带上普通的蓄电池,太空舱也不会给“罐子”供电,因此,“月面微型生态圈”需要自己解决能源问题。能源从哪里来呢?答案非常简单——太阳能。

通过纯物理的办法,没有任何污染地进行温控,是一种非常好的环境保护方式。

除了温度控制,其他用电的地方也不少。此次试验的重要作用之一就是科普,为了全程记录这一过程,并与地球试验进行对比,借以向青少年和宇宙探索爱好者来进行科普宣传,照相机必不可少,将数据传回地球也同样需要能源,太阳能就为他们提供了可靠的能源保障。

除了供电,太阳能最为众所周知的作用——光合作用在这里更是不能少,它是通过光导管实现的。

研究团队通过多次试验解决了压力问题,在罐子顶部开了一个口子,通过光导管引进月球表面自然光线,提供植物光合作用所需光线,也为植物生长创造环境。罐体内,动植物通过载荷顶部盖板上的光导管吸收月面自然光,完全接受月球的光照环境,实现月面原位资源利用。

水是生命之源,所以要实现生命生长甚至生态循环,水是必不可少的。

小罐子里的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,着陆器落月并加电后,接到地面指令让电磁泵工作,将水袋中的水通过水管释放到生物舱表面,为生物生长提供水分。

不过在月面放水也不是那么容易的。月球上的重力仅为地球的1/6,不一定会按照地球上的标准放水,而水放得过早或者过晚都不好。因此科学家们用添加剂堵住了水管的出水口,满足一定条件后这个口才能打开,把水放出来。 

另外,摄像头和传感器也很重要。从发射准备到飞行登月,中间大约会有两个月时间。为了让动植物不在途中就开始生长,科学家们进行了大量相关试验,以保证动植物在旅途中沉睡,到达月球后再被唤醒。发射后不能人为遥控操作,只能通过摄像头和传感器进行观测。

别看只是一个小小的以科普为主的载荷,这个小罐子的成本造价在千万元以上,单相机就高达60万元。在短短两年的时间里,它经历了几十次修改,涉及了机械、材料、动力、电气、电子、土木、资源环境、生物工程等领域的交叉融合,包括了许多关键技术,集合了国内外的一系列优势资源。哪怕只是一架相机,也要有在抗辐射抗低温高湿度环境下工作的特殊性能,整个罐子里40多个主要零部件,都体现了现今中国最尖端的技术。

“月球微型生态圈”的选培育

月面微型生态圈模型内部

6种生物怎么选的?

大家都知道,“月面微型生态圈”里搭载了6种生物——马铃薯种子、拟南芥种子、油菜种子、棉花种子、果蝇卵、酵母。那么这看似简单的6种生物,是如何战胜了地球上的其他诸多物种,最终成为首次登上月球背面的幸运儿的呢?

由于载荷大小有限,搭载的动植物不能占用过多空间,此次科普试验的生物物种筛选有着非常严苛的要求。能登上月球的“旅客”,首要条件就是“个子小”。其次,由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制,要求动植物能耐高温、耐冻,并能抗辐射和抗干扰。 

重庆大学生命科学学院太空生物学研究团队承担了本次科普载荷生物模块研制任务后,从云南深山悬崖到新疆沙漠地区,四处寻找能够满足条件的生物物种。他们进行了上百次物种筛选和无数次生物试验,最终从粮、棉、油等人类赖以生存的最基本需求方向出发,选择了马铃薯、棉花、油菜和拟南芥种子,以及果蝇卵和酵母。

随着太空探索的一步步深入,载人探索任务也将面临着由短期变为长期的挑战,而航天员的吃饭问题将是必须解决的一个大课题。马铃薯是最为大众熟悉且接受的食物之一,且极易生长,所以很可能是以后在太空中的主食,试验价值重大。而这次选择的马铃薯是特别培育的“小个子”品种。

棉花本身适应高温发芽,它的种植就在夏季,所以不惧怕高温。因此,棉花才能在本次试验中首先发芽。

油菜作为重要的油料作物,是太空食物中不可或缺的油料保障。

拟南芥、酵母菌和果蝇都是生命科学领域重要的模式生物。它们因生长周期短,能够在短时间内展示完整的生命过程而入选。

拟南芥开花周期短,从发芽到开花只需1个月。酵母菌在有氧环境下进行有氧呼吸,氧气含量较低时又进行厌氧呼吸,能在方寸之间调节氧气和二氧化氮浓度。

而果蝇作为第一个进入太空的动物物种,其试验价值更是非常大。从基因上看,智人与果蝇的共同点多到超乎你的想象。在所有致病基因中,约有75%的基因与果蝇的遗传密码有类似之处。

在选择的过程中,研究团队还曾考虑过乌龟、蜜蜂、蚯蚓等物种,后来因为耗氧量比较大等原因放弃了。

6种被选中的生物,除本身的特性外,彼此之间还构成一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统。其中,植物生产氧气和食物,供所有生物“消费”;作为消费者的果蝇和分解者的酵母,通过消耗氧气产生二氧化碳,供植物进行光合作用。此外,酵母可以分解植物和果蝇废弃物而生长,酵母又可以作为果蝇的食物。

这一整个微型生态系统,均放置于密封的生物科普试验载荷罐内。地面组装合盖过程中,所有生物装载操作均在严格无菌环境的超净工作台中进行,确保全过程无生物污染。

拟南芥

酵母细胞

土豆

棉花

油菜种子

上太空不死的果蝇


试验过程

2018年12月8日凌晨,生物科普试验载荷项目随嫦娥四号探测器从西昌卫星发射中心出征。

2019年1月3日23点18分,“嫦娥四号”登陆月球第一天,在经历发射和着落等阶段严酷的力学考验后,生物科普试验载荷加电开机并启动主相机拍照。23点48分,在地面控制中心发送放水指令后,植物种子和果蝇虫卵结束近一个月的休眠状态,进入生物月面生长发育模式。

1月5日20点,地面接收数据显示载荷内棉花种子已经发育为胚根。

1月7日传回的照片显示,生物科普试验载荷内的植物长势喜人,棉花种子已经长出了嫩芽,成为自古以来月面上第一株发芽的植物。这表明该项科普试验载荷经受住了月面残酷环境的考验,只要条件合适,地球植物也能够在月面低重力、强辐射、高温差的严峻环境中顽强生长。

1月12日20点03分34秒,地面发送生物科普试验载荷断电指令,载荷正常关机。

之后,生物科普试验载荷进入断电状态,在月夜温度零下52℃的情况下,载荷内部所携带的6种生物结束本次科普试验使命,处于冷冻状态。

下一个月昼期温度上升后,在全封闭状态的生物科普试验载荷罐中,6种生物被慢慢分解成无害的有机物,并将被永久封存在生物科普试验载荷内部。

“从开机至断电,生物科普试验载荷在轨工作状态良好,累计工作时间长达212.75小时,主副相机累计拍照34次,下传照片170多幅。与整器保持良好的持续通信状态,并实时传回温度、电压、气压等各项遥测数据。通过照片数据和遥测数据分析,设备内部水已完全浸润土壤,温度、压力等完全符合生物生长发育的要求,达到设计指标,部分指标超过预期。”谢更新教授介绍。

为进一步凸显本次生物科普试验载荷的科研和科普价值,生物科普试验载荷项目组同时在重庆大学开展了地、月对比试验。对同一个生态系统(密闭空间)在地球、月球不同条件下以及在地面自然条件下(开放空间)的生长发育情况进行对比。

1月3日23点50分,地面试验载荷与月表载荷同步注水,对照试验正式开始。整个地面对照试验全程以在轨工作的生物科普试验载荷传回的温度作为参考,地面对照通过控温,与在轨工作温度保持一致。

截至1月12日,地面对照试验罐体内已陆续发现棉花、油菜种子萌发,且长势良好,可观察到嫩绿的子叶。开放环境下,可见油菜、棉花和马铃薯种子萌芽,幼苗呈茂盛生长趋势。

月面长出的第一株嫩芽

地面开放环境对照

月球基地幻想图


试验成功了吗?

“月面微型生态圈”里明明有6种生物,而且这6种生物构成了一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统。也就是说,“月面微型生态圈”提供了6种生物全面生长的条件,现在只有棉花种子发芽了,而且“嫩芽”明明死了,为什么说试验成功了呢?

这就好像学生升学的时候,体育成绩的要求是达标就可以了,但是测验的时候却会留出优秀甚至满分的空间,并不会达标了就不允许继续发挥了。现在我们的“月面微型生态圈”就是这样。

生物物种的严苛筛选是为了在有限的条件下尽可能地建立微型生态系统,以提供“优”甚至“满分”的实现空间。俄罗斯专家舍夫琴科称:“如果中国专家制造的封闭式生态系统开始运作起来,那么未来,航天员登月就不再需要携带水、空气,一切都将就地实现。”但本次载荷试验以实现在月球表面环境下植物种子发芽或幼虫成长为最低目标。

棉花种子长出嫩芽,就已经达标了。它验证了人类是能够在低重力、强辐射的月球表面,在月球自然光照条件下培养植物并生长出第一片绿叶,为人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。以“科普”为出发点的此次试验已经成功地完成了它的科普使命。所以说,这次的试验是成功的。

棉花种子发芽实现了月球表面生物生长的零的突破,但发芽已属不易,客观条件上并不能保障嫩芽继续生长。想要在月球表面种植出能够结果的植物,更是还有很长的一段路要走。

此次试验所取得的全部数据在维也纳与世界各国进行了分享、讨论,试验结果得到了国外科学家的热烈赞美。

全程关注本次试验的国外科学家表示:“这次生物试验将载入史册,棉花嫩芽虽然无法熬过月球漫长的寒夜,但它的诞生永远值得我们铭记,为之自豪。”

 

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