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2.0》一書(shū)中,，科學(xué)記者皮埃羅?斯加魯菲采訪了全球15位頂級(jí)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(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,，溫度就難以控制,。經(jīng)過(guò)計(jì)算，如果既要控制溫度,，又能夠滿足光合作用的話,，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，這樣我們將面臨最惡劣的情況：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,，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愛(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姵厣显虑颍覀冇譀](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 稱這個(gè)實(shí)驗(yàn)是“first time ever”,，Science 則說(shuō)它是“in a first for humankind”。人類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、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,！