生物圈，地外星球的生存方式

塵蕭

1995年3月22日，俄羅斯宇航員波利亞科夫創(chuàng)造了人類在太空連續(xù)生活和工作最長時間的世界紀(jì)錄，這段長達(dá)437天17小時58分的太空停留紀(jì)錄至今無人能破。在這14個月漫長的太空生活中，波利亞科夫吃的每一粒食物，都需要飛船從地面運送，而用火箭發(fā)射1千克物體到太空的成本大于7萬人民幣，因此他在太空每日的開銷都是一筆天文數(shù)字。

如果人類在未來進(jìn)行更長時間、更遠(yuǎn)距離的太空探索，如構(gòu)建月球基地、火星基地，由于路途遙遠(yuǎn)，僅依靠攜帶或物理化學(xué)再生方式滿足生命保障需求，無論從技術(shù)還是成本都難以實現(xiàn)。因此若想要在地外星球生存，就需建造密閉生物圈，提供足夠人類生存所需的氧氣，處理人體代謝的二氧化碳與排泄物，并生產(chǎn)足夠的水與食物。

說到這里，有讀者可能會說，種植植物可以滿足上述所有條件。沒錯，構(gòu)建這樣的生物圈，高等植物作為自養(yǎng)單元，不僅可通過光合作用吸收人員、微生物等異養(yǎng)單元釋放的二氧化碳，產(chǎn)生氧氣，其自身還可生產(chǎn)果實，供人員食用，與此同時，植物的蒸騰作用可以產(chǎn)生水。但這一切說起來簡單，實現(xiàn)起來卻沒那么容易。

2014年5月20日，由北京航空航天大學(xué)劉紅教授團(tuán)隊開發(fā)的“空間基地生命保障人工閉合生態(tài)系統(tǒng)地基綜合實驗裝置”，即“月宮一號”成功完成了長期多人密閉實驗。3名艙內(nèi)實驗志愿者結(jié)束了長達(dá)105天的密閉環(huán)境生存測試，成功地驗證了“月宮一號”系統(tǒng)技術(shù)的可行性，滿足了人在密閉環(huán)境內(nèi)所需的多項生存條件。那么，這是一個什么樣的密閉生物圈呢？內(nèi)部物質(zhì)如何循環(huán)，人在里面怎樣生活？

參加本次實驗的志愿者王敏娟博士告訴筆者，這套密閉實驗艙在有限的空間內(nèi)構(gòu)建了一套人工生態(tài)系統(tǒng)，可循環(huán)再生氧氣、水和植物。王敏娟說，“月宮一號”內(nèi)有3套水處理系統(tǒng)，分別用于處理空氣冷凝水、衛(wèi)生廢水和尿液。飲用水的獲取相對容易，可通過空氣冷卻系統(tǒng)將植物蒸騰作用產(chǎn)生的水蒸氣轉(zhuǎn)化為冷凝水，再通過冷凝水凈化系統(tǒng)獲得飲用水。冷凝水經(jīng)過初濾、活性炭吸附、超濾和紫外消毒，分別去除水中懸浮顆粒物、有機物和微生物等，使水可放心飲用。尿液則采用生物與物理化學(xué)相結(jié)合的方法，回收其中的水和部分氮素循環(huán)用于植物栽培。衛(wèi)生廢水經(jīng)生物凈化后用于配制植物所需的營養(yǎng)液。

王敏娟介紹，密閉實驗艙中氣體循環(huán)主要通過植物光合作用實現(xiàn)，但與水循環(huán)相比，氣體循環(huán)的難度相對更大。眾所周知，空氣由約78%的氮氣、21%的氧氣、0.03%的二氧化碳，以及其他微量氣體與雜質(zhì)組成，在只有300立方米的實驗艙內(nèi)，保證各種氣體含量的穩(wěn)定十分必要。她說，由于個體對二氧化碳敏感程度不同，進(jìn)艙前須進(jìn)行嚴(yán)格的生理指標(biāo)檢查，最初備選的6名志愿者中就有1人因?qū)^高濃度的二氧化碳反應(yīng)敏感而無法進(jìn)艙。對固體廢物（枯萎植物、人體排泄物等）的處理也選用生物有氧降解，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，最大限度減少甲烷等有害氣體產(chǎn)生。同時，試驗過程中還采取一定調(diào)控手段，實現(xiàn)氧氣——二氧化碳循環(huán)平衡。艙內(nèi)溫度通過空調(diào)制冷系統(tǒng)以熱交換原理進(jìn)行調(diào)節(jié)， 整套空氣循環(huán)管線也是完全封閉的，不會與外界發(fā)生物質(zhì)交換。

值得一提的是，在本次長達(dá)105天的實驗中，艙內(nèi)水與大氣再生度達(dá)到100%。該成果對以后進(jìn)行更大空間的密閉實驗艙建設(shè)，甚至未來可能的月球乃至火星生物艙建設(shè)都有很大幫助。

民以食為天，如果去了地外星球，如何解決“吃”這件重要的事呢？王敏娟說，在本次密閉實驗中，植物艙共提供了55%的食物來源，其余的則攜帶入艙，主要為肉類和一些輔助食品。植物性食物物種的選擇十分科學(xué)，在提供人體生存必須營養(yǎng)物質(zhì)的前提下，還要單位體積單位時間產(chǎn)量高、收獲指數(shù)高，這些植物的生長速度與艙內(nèi)耗氧的異養(yǎng)生物（包括人、廢物處理中的微生物、飼養(yǎng)的昆蟲等）之間也必須能很好的擬合。

艙內(nèi)植物如何傳粉是很多人好奇的問題。王敏娟認(rèn)為，這并不難實現(xiàn)，首先，“月宮一號”中的空氣可通過空調(diào)和風(fēng)機循環(huán)流動；其次，艙內(nèi)植物架上安裝有小型風(fēng)扇，可加速空氣流動。這次實驗沒有引入昆蟲授粉，因為每多一個物種，就會增加微型生物圈的復(fù)雜性，所以，艙內(nèi)主要種植的糧食作物為可自花受粉的小麥與大豆。小麥?zhǔn)秋L(fēng)媒花，有風(fēng)即可授粉，而大豆是嚴(yán)格的閉花授粉作物，不需借助其他形式的傳粉工具。此外，多數(shù)蔬菜為葉菜類，無須等開花即可收獲。艙內(nèi)唯一需要人工授粉的草莓只需在開花之初用軟毛筆蘸花粉刷柱頭即可。

長期在密閉空間工作生活，除生理問題外，艙內(nèi)人員的心理問題也不容忽視。王敏娟告訴筆者，在志愿者人員選擇上，研究團(tuán)隊考慮了不同個體性格互補的因素，這與工作技能、身體素質(zhì)同樣重要。她說，這次實驗共3名志愿者，大家融洽的相處非常有利于實驗的順利進(jìn)行。與此同時，研究團(tuán)隊請心理醫(yī)生定期對人員心理狀態(tài)做測試評估，防止久處密閉空間產(chǎn)生壓抑、自閉等心理疾病。在談及為何不飼養(yǎng)羊、香豬等哺乳動物作為食物時，王敏娟說，除飼養(yǎng)空間和生長周期，以及引入物種會導(dǎo)致生物圈內(nèi)變量增多等因素外，還有一個很重要的原因——人類易與哺乳動物產(chǎn)生感情。她補充說，在我們的正常生活中，人的情感容易被分散，不太會因一個人或動物的死亡產(chǎn)生極端情緒，但在一個只有300立方米的空間內(nèi)生活工作3個月或更久，能產(chǎn)生眼神交流的除隊友外，只有這些動物，要下手屠宰并食用它們，會使人產(chǎn)異常情緒波動。這是不選擇飼養(yǎng)小型哺乳類動物的重要原因之一。

此次長達(dá)105天的“月宮一號”人工閉合生態(tài)系統(tǒng)實驗的成功標(biāo)志我國解決了在建立月球基地生態(tài)環(huán)境中的一部分關(guān)鍵性理論與技術(shù)問題，并為建立火星長期居住基地解決了一定程度的生態(tài)生命保障問題，具有重要的里程碑意義。但這畢竟是中國首次進(jìn)行此類實驗，很多技術(shù)還需進(jìn)一步完善和發(fā)展。相信在后期的實驗中，問題能夠得到一一解決，為中國乃至世界和平探索與利用太空做出積極的貢獻(xiàn)。

責(zé)任編輯：陳肖endprint