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“月宫365”:人工生态系统破纪录

作者:admin 2019-11-10 我要评论

自1961年苏联宇航员加加林成为世界上第一个进入太空的人之后,人类在外太空建造类似地球生态圈的生命保障系统的尝试就没有中断。最新的跨越是今年5月15日,北京...

自1961年苏联宇航员加加林成为世界上第一个进入太空的人之后,人类在外太空建造类似地球生态圈的生命保障系统的尝试就没有中断。最新的跨越是今年5月15日,北京航空航天大学的4名志愿者从“月宫一号”出舱,在与地球生物链最相似的人造环境里生存370天,完成了世界上时间最长、闭合度最高的“月宫365”计划。

志愿者在“月宫一号”的植物舱内记录植物信息

 

校园里的“月宫”

一面舷窗就像一块圆形显示屏,泛着紫粉色的光。2018年5月15日,舷窗外面,由飞机仓库改造的彩钢板房内,人越聚越多,他们向椭圆形的舱里张望。刘慧戴着口罩和手套,穿着连体实验服,在三层的植物架上采摘黄瓜。这一天,她终于出舱,与她的团队一起迎接外界的好奇。此前的369天里,包括刘慧在内的8名志愿者分成两个4人小组,尝试像在科幻电影中的外星基地里一样,分批、交替在除电力供应外,与外界完全隔绝的“月宫一号”里生活。

从舱里往外看,舷窗不过像是墙面上嵌着的一个圆环,刘慧有时会透过它向外看看,但大多数时候会忽略它的存在。她每天的大部分时间都花在三个50平方米左右的舱里,其中两个是植物舱。植物舱Ⅱ里种着30种植物,包括蔬菜和水果,刘慧和志愿者为它们配置不同的营养液,记录它们的生长数据,成熟后摘走、吃掉,再种上新菜。而另一个植物舱Ⅰ里,种着5种植物,其中主要是小麦,他们用电动剃刀剪下整株小麦,用剪刀将麦穗剪下,晾干、脱粒、称重,磨粉,做成馒头,周而复始。

外界能够透过舷窗看到的,只是“∏”型的“月宫一号”的两个纵向并排的植物舱。横向的综合舱将它们相连,但除了监控室内的影像,它里面的情形隐藏在自然视线之外,那里是志愿者们日常生活的地方。并排每人一间卧室,共用一个洗漱间,厨房、餐厅、工作室合为一体,安置在卧室和洗漱间中间。综合舱一侧还有一个废物处理间。从2017年5月10日开始,刘慧所在的一组就曾在里面住过60天,二组的志愿者紧接着住了200天后,刘慧他们又住了进去。

作为一组舰长的她告诉我,他们每天的作息规律而紧凑,早上6点半起床,自早饭后开始,除了中午12点饭后休息一小时,下午有半小时茶歇,直至晚上7点晚饭,志愿者都在工作。他们的工作是维持“月宫一号”系统的运转,监测、记录下其中每个事物在每个环节的一点一滴。

“月宫一号”是简称,它有一个长达22个字的全称,“空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置”,那才是它的本相。在这个占地150平方米,总体积500立方米的密闭系统里,刘慧所在的团队依照自然界的生物链,构建“人-植物-动物-微生物”四生物链环的人工生态系统。他们尝试让这个生物链循环起来,使人能在孤立的环境里自给自足。

“月宫一号”舱外的监控室里,队员通过摄像头24小时监测舱内情况

 

“舱内提供生命保障的基本物资就是氧气、水和食物,‘月宫一号’的基本原理就是把这些物质循环起来。”刘慧向我介绍,“植物不仅给舱里的乘员提供食物,还通过光合作用产生氧气、通过蒸腾作用产生纯净的饮用水。秸秆和菜根之类人不吃的部分用来饲养动物。我们养的动物是黄粉虫,能为我们提供优质的蛋白。植物剩下不可食的部分、人的排泄物、厨余垃圾交给微生物处理。除了将这些‘废物’制成可种植物的类土壤基质,微生物将被固定的碳分解为二氧化碳,与人和动物呼出的二氧化碳一起进入空气,供给植物做光合作用,而从尿液中回收的水和氮素,以及净化后的卫生废水,又用于灌溉植物。新的植物依靠这些养料和水分生长,一个循环就此形成。”

“我们各有分工。”原理看似简单,操作流程却很复杂。4名志愿者要负责固体废物处理、废水处理、动物饲养、植物栽培等7个环节。刘光辉是二组的舰长,他除了每天饭后在各舱室间转个弯,检查设备是否正常运转,主要的工作场所在废物处理间。那里挨着洗漱间,每天一早,他都会先打开尿液处理设备预热,然后将各人尿液计量后加入设备处理。“固体的废物也是这样。我是学生物医学工程的,经常接触排泄物,而且舱中的排泄物经过处理,也基本没有什么气味了。”他在舱中生活了200天,对自己的工作早就习以为常。

“月宫一号”团队的成员把漫长的舱中生活看作一场“马拉松”,心理上会经历起伏。“想到各项研究即将收尾,任务比之前繁重得多,有时候想干脆不出来了。”刘慧回忆,临近出舱,原本的期待被工作打压下去,直到出舱前两三天才激动起来,却突然得知还要再多“关”5天,“倒计时又倒回去,有些怅然,后来因为忙,也就释然了。”而刘光辉和大家都知道,这也是实验的一部分。他是团队中最镇定的人之一,经历过突然断电和长达6周暗无天日的遮窗实验,他仍用实验的心态看待自己在舱中的心态变化,“心理学上有个说法,人做一个任务做到四分之三,趋近尾声时,心理上会出现波动,之后又会趋于平稳。我自己的感受与此类似,但具体数据目前还未分析出来。”

刘光辉所言的数据来自他们在舱里定期要接受的心理问卷、脑电检测等一系列测试。实际上,将舱内成员的生活分成工作与休息并不准确,像给舱内的植物、微生物记录、取样一样,他们自身的一举一动也都是实验。

志愿者们在舱内的一天从量血压、测体重开始,他们定期收取自己的唾液、尿液、粪便等健康样品。舱外的24小时监控室里,表情识别系统解析他们的情绪变化。甚至,不但食谱经过严格测定,连人员构成也精挑细选。刘光辉告诉我,“为了测试系统能否稳定地保障不同代谢水平的人员的驻留和换班,我们的两个组是特意根据志愿者的高矮胖瘦组合的。我们组新陈代谢水平比较高”。而从新陈代谢的角度看,每日活动要满足一定的量。“休息时新陈代谢少,有时候觉得活动量没够,就骑骑动感单车,女生还会练练瑜伽。”

但人并非一堆变量拼合的机器,志愿者们尽可能让生活有滋有味。刘光辉说,晚饭后,他们看电影、上网与家人聊天,有时候下下象棋。而身为志愿者中年龄最大的舰长,刘慧和刘光辉都担起为师弟师妹改善伙食的职责。今年除夕夜时,刘慧特意准备了两种饺子皮,一种绿色的面里加了蔬菜汁,一种用胡萝卜汁把面调成橙色。她用舱内收获的蔬菜和进舱时带的猪肉,做出了三种饺子。舱内外的成员分别围坐在显示器前,举办 “月宫春晚 ”,舱内外连线表演节目、发红包。

“因为作息规律,舱内恒温恒湿,空气质量优良,饮食健康,我感觉比进舱前健康很多。”刘慧出舱时,“月宫一号”已密闭实验370天,成为世界上运转时间最长的生物再生生命保障系统。而14年前,中国在此领域一片空白。它的成功,源于一系列与航空航天技术无甚关联的“机缘巧合”。

“月宫365”实验完成后,仍在运转的“月宫一号”

 

打造人工四生物链系统

现如今,装着“月宫一号”的彩钢板房里,植物舱舱门前的地毯,以及会议桌上的桌布,或许是除了“月宫一号”的名字之外,与月球关联最大的物件——它们上面都印着月球的环形山。“月宫一号”的渊源不在天上,而在它正北方的实验楼里,一位年过五十的女科学家14年前的决定。

“我来的时候,就考虑怎么把自己的专业和这里的特点结合起来。”我见到“月宫一号”总设计师刘红教授时,她把头发盘成干练的发髻,每天工作紧凑,工作安排以一小时计。刘红告诉我,她的专业是环境保护,2004年到北航任教时,她想环保本是交叉学科,但在北航做农业环保或城市环保,都没有竞争力。“我从小就感到太空很神秘,想到应把自己做的跟航空航天结合起来。”

她查阅资料后发现,航天技术先进的国家都在做地外生存系统,其中的难点正好与她的学术背景吻合。“人到哪里都一样要吃喝拉撒,而废物的循环处理就是我的专业。我等于做的是环保的最顶级状态,所有废物都利用了,一点儿不剩。”

莫斯科大学的留学背景也帮助了她。精通俄语使她能够看到经验最丰富的俄文文献。1961年,苏联“航天之父”科罗廖夫把加加林送入太空后,便设想建立与地球类似的生命保障系统,保证长途的太空旅行。1972年,他组织人手在西伯利亚小城克拉斯诺亚斯克建成了最早的地外生存系统BIOS-3。次年,完成了两到三人在舱内连续生存 180 天的实验。“里面种植小麦和蔬菜,实现了人和植物两生物链的循环。即便水和大部分营养都依靠舱外,舱内的植物也只能制造氧气,提供一部分食物。实验还是证明,比照自然生态系统的原理定量设计,人类能做出人造的生态系统。”

“但就像只有一种植物的人工草坪远不如野草地长得好,不同物种间会相互支撑,功能也会互补,生物多样性越高,生态系统越稳定。”在刘红看来,丰富人造生态系统内的生物链环和物种种类势在必行。她向我介绍,苏联的实验成功后,美国人受到感召,上世纪90年代初,在沙漠中建了一座1.2公顷的人工生态系统。他们把自然界的每种类型都“抠”一点,搬进玻璃罩子里。热带雨林、沼泽应有尽有,生态系统却很快崩溃了。

刘红从这个失败经验里反思,生态系统的尺度和物质的循环周期有莫大关联,人造环境不可能承受整个地球动则成百上千年的循环周期。所以,生物链环必须人为设计、调控,每个生物单元都要精确定量。

当年,“神舟5号”载人飞船成功升空不久,“嫦娥一号”也开始筹备,航空航天技术的前景大好,但在地外生存系统的领域,中国一片空白。而当时世界上除了苏联的BIOS-3,只有美国建立的“受控生态生命保障系统”(CELSS)完成4人90天的密闭实验,且仍是人与植物的两生物链系统。而欧洲太空局在1989年启动的“微生态生命保障系统研究计划”,在系统中引入微生物,却至今未成功。

刘红上来就要做“人—植物—动物—微生物”四生物链的系统。刘红说,既是科研,就不想只重复前人的工作,她带着学生单枪匹马开始攻坚。“和俄罗斯、欧空局好几个部门联合,动辄成百上千人的规模相比,我们只有30个人。”

“月宫一号”总设计师刘红教授(黄宇 摄)

 

实现人造生态圈的运转本质上就是调控的科学。密闭的环境里物质恒定,氧气和二氧化碳浓度的变化,饮用水与废水之间、人吸收营养与排出废物之间的循环等一系列问题,正是刘红需要解决的课题。“CELSS主要是以物理、化学方法调控,系统消耗大,需要更多外援,若出了事,黄花菜都凉了。”刘红说,调控的方法应依靠舱内生物本身的机能,但之前的实验并不能提供更多经验。“BIOS-3虽用生物调控,但生物链环少,主要调控人的食谱,也不是长久之计。”  

她把自己的团队分成植物单元、动物单元、废物处理等不同方向的研究小组,她自己的专业背景在此发挥了关键的作用。环境保护中的微生物处理技术可以应用过来,刘红和学生首先把“变废为宝”这最难的一环解决了。而植物的一环,她要完全把握植物的习性,搞清各种植物所需光配方和营养液的配比,“调配的基础是全面的认识”。刘红之前在中国农业大学任教时,培养过植物,前苏联和美国的实验也能提供经验。她告诉我,为了研究每种植物最喜欢的光线,量身定制光配方,她的团队像探究基因的功能一样,把光波分段,挨个清除、比对,摸清每一个波段对每种植物的作用,之后用LED灯调配光谱,“单植物的研究,我们就出了4篇博士论文,研究成果现在也可以用在农业领域。”

研究生物单元5年后,刘红在2008年决定把各单元整合在一个系统里,2013年时,终于建成“月宫一号”。

苏联建成的世界上第一个封闭生态系统BIOS-3(摄于1985年)

 

生物圈里的寻觅

“‘你会做噩梦的。’第一次进舱前,我和做BIOS-3实验的俄国科学家吃饭时,他那样对我说。”经过一年的构建和调试,2014年春节时,刘红从自己的团队中挑选出两女一男3个人,进入“月宫一号”做105天的生存实验。和现在相比,那时只有一个植物舱,根据人所需的营养配比,种植了21种植物。心中忐忑不安又有些激动的刘红当时不知他说的是实情,“还以为他在咒我”。

刘红当时的“误解”来自之前五年的艰辛。“因为我们的理念太超前,争议非常多,有些人在会议上当面质疑我,说我的项目太遥远,科研经费要顾及紧要且能看得见成效的项目。”刘红告诉我,她一遍遍地写申请,推荐“月宫一号”,终于在2012年获得批准。“但经费远远不够,我们把几个课题的经费凑起来,也仍不够,还得自己再去找。” 

钱的问题只是一方面,“我之前只设计过污水处理厂”,刘红的研究需要“月宫一号”这个载体呈现,他们对结构的要求又很特殊,只能自己设计,再找人施工。好在污水处理厂与“月宫一号”也有相通之处,“都是大罐子,不能漏”。刘红找到煤气罐加工厂商,只要求他们能保证不漏气,具体的结构由他们设计。因为承重大,省去打地基,他们选择把“月宫一号”建在曾经的飞机仓库里,而大到舱体的布局,小到连通舱内外的空调管道焊口的设计,刘红团队都必须考虑得面面俱到。

在工地上挥汗如雨,“月宫一号”的科研项目也没有停,自打刘红决定做地外生存系统,她和学生就在寻找动物链环中合适的动物。“欧空局和日本都尝试过用牛、羊等大型动物,但我们最早就放弃了。”刘红考虑到大型动物对系统的消耗太大,而且在孤立的环境里,饲养动物很容易使人产生情感依赖,养大后再杀掉会对人的心理产生巨大冲击。

BIOS-3中曾有过类似的先例,还只是一只蟑螂。180天的实验开始两周后,舱内成员发现一只小蟑螂,他们兴奋不已,三个男人把它当成了宠物,每天叫它名字、和它聊天、给它喂食。但有一天蟑螂不知被谁踩死,他们悲恸不已。其中两人见另一人没他俩伤心,认定他是凶手,要找他报仇。舱外的实验负责人从中调解,舱内的人要求再放一只蟑螂进来,但不合规定。直到舱外人说,“原来的蟑螂和你们一起进舱,是亲的,再送进去的就不是亲的了”,闹剧方才作罢。

刘红为此竭尽脑汁,突然她想到儿时养兔子和蚕的经历。“我小时候割草给兔子吃。兔子死了会很难过,但同样是我养的蚕死了,倒进垃圾桶就完了。”她由此思考,单独的一两只动物,人很容易和它产生感情,蚕一养一大堆,很难分清谁是谁,不会产生心理依赖。“而且我是徐州人,在南方蚕蛹是家常菜,几乎天天吃,很有营养,也没有任何心理障碍。”

由此,刘红找到了超越前人的关键方向,用昆虫等小型动物构成动物链环,四生物链的架构,曙光初现。

但蚕宝宝太娇气,只吃桑叶,死亡率也高。在刘红团队建构的生态系统里,一切以人为中心,动物被食用时不能产生心理障碍,不与人争食,以人不食用的植物废物为食。研究了8年蚕的培养工艺后,他们还是决定放弃。兴建“月宫一号”期间,在几千种可食昆虫里,刘红把目光对准了吃麦麸的黄粉虫。“人吃小麦会剩下秸秆,而麦麸与秸秆的主要成分都是纤维素。”

“黄粉虫吃起来脆脆的。”刘光辉说,黄粉虫生长迅速,由卵长到可食用的幼虫只需 50 天。因不喜光,他们为其研制了一种不锈钢立柜,内设多层,每层放置多个圆柱形培养皿,其中放入大量生物处理后的碎秸秆,给黄粉虫当食物。每次食用前,他们把黄粉虫饿一天,排空排泄物,之后磨成粉加在面粉里做馒头,或是直接烤干,“像薯条一样,当零食吃”。

如今欧洲人也领会了这一思路,试验蜗牛之类适合他们口味的食谱。在刘红看来,除非要“移民”外星千人以上,否则近百年不会用到大型动物了。但她当时对自己的“创意”并没有把握,“加入动物链环之后,整个生物链会不会乱?”2014年进舱实验前,他们做了270天的模拟实验,把动物链环加进来。即使证明可行,当志愿者真正入舱后,噩梦还是一天接一天地来了。

“因为链条环环相扣,我每天梦里像过电影一样核对细节,有时越担心就越感觉真出了状况。” 刘红向我反复强调实验没成功前,她面临的巨大风险,所以开始时并未对外声张。但仍总有人联系她参观。而为保证人员安全,他们设计的舱门非常容易打开。“看到人们扒着门看,我生怕门会开,那就前功尽弃了。”所幸,第一次实验顺利完成,证实了系统可行。

刘红告诉我,评判生命保障系统的标准一个是密闭环境中循环再生的水平,即闭合度,闭合度越高,说明人每天消耗的物质里,由生命保障系统提供的比例越大。第一次实验中,“月宫一号”的闭合度达到97%,超过BIOS-3,成为世界之最。而且因为四生物链环的运转,还实现了零消耗的生物调控。另一个标准是系统的稳定性,这是“月宫365”实验的目的。第二次实验前,植物舱二号建成,植物种类上升到35种。刘红不再做噩梦,她用各种办法“考验”“月宫一号”。人为断电,刘慧、刘光辉的小组分不同时长交替进入,最终发现,不但系统能够应付,反而因有人维持,运转得更好了。

通过扩大种植规模,提高废物处理效率和黄粉虫的培养效率,第二次实验的闭合度达到98%。刘红认为,已无再提升的必要。“只要有2%的外援,系统就能一直运行下去。人不可能在里面一辈子,肯定会换班。我们以后也会朝利用外星的原位资源的方向发展。”刘红把眼光朝向太空,下一步争取能搭载空间站、月球和火星探测器,探究能适应失重或部分重力以及辐射环境的系统,“还有很长的路要走”。(感谢陈一然对本文的大力帮助)


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