董琛

羊年歲末，我身在德國宇航中心（DeutschesZentrum fur Luft und Raumfahrt，DLR），有天，一位編輯朋友突然和我聊到正在熱映的電影《火星救援》。原來是看到片中宇航員、植物學(xué)家Mark.Watney用盡各種方法種植小土豆（每個(gè)作物品種都有唯一拉丁名，小土豆是為了區(qū)別于普通土豆），建立小溫室，靠自己的力量在火星求生存，直到獲得救援，編輯想到了我在“月宮一號(hào)”的日子。編輯問我：電影中的故事可能嗎？未來會(huì)發(fā)生嗎？我說，也許會(huì)吧！

有了生物再生命保障系統(tǒng)，火星就不再是荒野求生

《火星救援》里宇航員Mark.Watney在惡劣的風(fēng)暴中幸運(yùn)地活了下來，不幸的是他發(fā)現(xiàn)自己成了留在火星上的唯一的人。萬幸，Mark是一名植物學(xué)家，他將居住艙變成土豆農(nóng)場，使自己在火星上支撐了近500天，等到了組員的返程救援。

這部電影用紀(jì)實(shí)手法來表現(xiàn)科幻，從而給我們造成了一種“發(fā)生在當(dāng)下”的真實(shí)感。在美國國家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）組織救援行動(dòng)的過程中，我們可以看到NASA形形色色的眾多角色、部門和場所。即使“500天”的確定，可能是電影人受了2010年6月～2011年11月在莫斯科由俄羅斯組織、多國參與的國際大型試驗(yàn)項(xiàng)目“火星500”的啟發(fā)。此外，公認(rèn)的空間飛行任務(wù)最優(yōu)人數(shù)一般為6人，現(xiàn)在近地軌道運(yùn)行的國際空間站常駐宇航員人數(shù)也為6名，電影中設(shè)計(jì)6位航天員登陸火星符合目前最科學(xué)的航天器承載人數(shù)。他們在性別比例、能力專長的組合方面，也符合當(dāng)今選拔宇航員的國際規(guī)則。第一代航天員一般都出自空軍飛行員，全為男性。后來，人們認(rèn)識(shí)到空間飛行任務(wù)的復(fù)雜性和長期性，慢慢開始吸收工程師、醫(yī)生及女性加入到航天員隊(duì)伍中，共同應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的空間飛行任務(wù)。我國航天員的選拔過程，也遵循著這一大概路線，相信不久的未來，再次執(zhí)行空間飛行任務(wù)的我國宇航員中會(huì)出現(xiàn)像Mark一樣的植物學(xué)家，或是像Dr.Chris Beck一樣的醫(yī)生。

再說說種植小土豆的橋段。根據(jù)NASA的火星研究，火星土壤除了缺乏氮元素，其他成分與地球土壤很相似，于是Mark用自己的糞便混入了火星上的土壤，使其富含氮元素，土壤的問題得以解決。之后是作物生長必須的水，為了采集水，Mark從火星登陸艙的火箭燃料中分解出氫氣，再混上氧氣。宇航員在星際旅行時(shí)是不能帶普通的點(diǎn)火設(shè)備的，Mark就把隊(duì)員遺留下來的一個(gè)木質(zhì)掛件削出很多木屑，弄出了火，點(diǎn)燃了混合氣，經(jīng)歷過一次實(shí)驗(yàn)失敗爆炸后，他終于得到了水。那么，理論上可以種土豆了，影片中的確這樣種了，并且成功了。但在我看來，也許沒有這么簡單，即使利用糞便做肥料，也不能直接種植作物，必須經(jīng)過發(fā)酵腐熟，腐熟不完全的肥料極易造成“燒苗”，讓植物脫水死亡，而腐熟過程就需要特定發(fā)酵微生物的作用，火星上的發(fā)酵微生物在哪呢？當(dāng)然，電影不是精確的科研，拋給觀眾一個(gè)啟發(fā)概念也許就足夠了。

影片的核心內(nèi)容是如何在火星上荒野求生，在給養(yǎng)告罄后如何填飽肚子。其實(shí)這正是我的研究方向之一——生物再生生命保障系統(tǒng)（Bioregenerative Life SupportSystem，BLSS）。早期國內(nèi)稱之為受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)（Controlled Ecological LifeSupport System，CELSS），但是CELSS實(shí)際上是美國的一個(gè)BLSS地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的名稱。后來，我們的國際同行們共同商議，定下了“生物再生生命保障系統(tǒng)”這個(gè)通用的名稱。如果影片中宇航員們搭建起了這個(gè)系統(tǒng)，那么Mark的日子會(huì)好過得多了。

生物再生生命保障系統(tǒng)是基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建由植物、動(dòng)物、微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)。水和食物這些人類生活所必需的物質(zhì)可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態(tài)環(huán)境。人進(jìn)入這個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)中，成為生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者鏈環(huán)同時(shí)發(fā)揮控制者的功能，構(gòu)成閉合人工生態(tài)系統(tǒng)。載人航天的目標(biāo)不只是近地軌道上的短期飛行，還有月球基地、火星基地和更加遙遠(yuǎn)的深空，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須依靠生物再生生命保障技術(shù)。

植物在生物再生生命保障系統(tǒng)中可以為人類提供新鮮的空氣、潔凈的飲用水、富含營養(yǎng)的食物和必須的精神慰藉等，是長期載人空間飛行任務(wù)中必不可少的組成部分。為了活著，男主角Mark.Watney的解決方案是在棲息艙里開辟土豆田。Mark能種土豆的重要前提是艙內(nèi)存有從地球帶來的生土豆，這是NASA為宇航員準(zhǔn)備的感恩節(jié)禮物。把火星土鋪進(jìn)棲息艙、耕出淺溝，把肥料和土豆埋進(jìn)去，然后造水種植。

為什么是土豆呢？因?yàn)橥炼怪胁粌H富含膳食纖維，營養(yǎng)豐富，還有耐儲(chǔ)存的特點(diǎn)，讓宇航員Mark熬過了數(shù)百曰的生活。在我國，土豆多年來只被老百姓作為“蔬菜”食用，所以在我國的生物再生生命系統(tǒng)中為了適應(yīng)中國人的口味，起初未將土豆列入宇航員的主食。最近幾年，隨著中國航天人對(duì)土豆認(rèn)識(shí)的不斷深入，土豆已經(jīng)在中國的生物再生生命系統(tǒng)中占有一席之地了。目前，世界上諸多國家將土豆當(dāng)作主糧，比如歐洲國家人均年消費(fèi)量穩(wěn)定在50～60公斤，俄羅斯人均消費(fèi)量達(dá)到170多公斤。我國政府正在積極推進(jìn)“土豆主糧化”。土豆生長環(huán)境要求不高，不與小麥、水稻、玉米三大主糧搶水爭地，且產(chǎn)量高，能夠開辟保障國家糧食安全的新途徑。

其實(shí)，2014年2月～5月，我也像Mark.Watney似的在密閉環(huán)境中生活了105天，只不過我沒有像他那樣在火星，而是在地球的“月宮一號(hào)”，用生物再生生命保障技術(shù)做了個(gè)“月球夢”。

月宮一號(hào)，在北航的恢弘的新主樓映襯下，顯得很低調(diào)。但是，它的建立，使我國在生物再生生命保障領(lǐng)域的研究水平進(jìn)入到國際最先進(jìn)行列。

人在宇宙中要如何生活？對(duì)，是生活。長時(shí)間的、有質(zhì)量保障的生活。

總是從地面運(yùn)送補(bǔ)給，成本高昂，還有可能失敗。2014年10月底，安塔瑞斯火箭在發(fā)射點(diǎn)火時(shí)爆炸，2015年4月底，聯(lián)盟-2.1A火箭在與進(jìn)步M-27M貨運(yùn)飛船分離前爆炸，6月底獵鷹9號(hào)火箭在升空148秒后爆炸……9個(gè)月內(nèi)國際空間站錯(cuò)過了三次補(bǔ)給，讓人擔(dān)憂航天員會(huì)否“斷糧”。最終，通過又一次貨運(yùn)飛船的發(fā)射，有驚無險(xiǎn)地解決了空間站的糧荒。

如果采用生物再生生命保障系統(tǒng)，航天員對(duì)外界的依賴將大大減小。因?yàn)?，載人飛行器進(jìn)入外太空后，氧氣、水和食物在系統(tǒng)內(nèi)能夠通過生物技術(shù)再生。

“月宮一號(hào)”就是這樣的一個(gè)人工閉合生態(tài)系統(tǒng)，它由1個(gè)綜合艙和2個(gè)植物艙組成。我和幾位志愿者乘員們在里面過起“浪漫”的農(nóng)耕生活：種菜，養(yǎng)蟲，自行加工食用。那些不能吃下肚的不可食生物量、人糞便還有食物殘?jiān)纫黄穑ㄟ^生物技術(shù)處理后，循環(huán)用于植物栽培；人、動(dòng)物和廢物處理產(chǎn)生的富二氧化碳空氣，經(jīng)過凈化后送達(dá)植物艙，提供植物光合作用所需氧料；植物艙產(chǎn)生的富氧空氣經(jīng)過凈化后，再送到綜合艙，讓人和動(dòng)物呼吸；植物蒸騰作用產(chǎn)生冷凝水，經(jīng)凈化后，可送到綜合艙變成人的生活用水，其他部分和凈化后的生活廢水還有尿液一起，用來栽培植物……

2014年5月20日上午10點(diǎn)18分，在北京航空航天大學(xué)校園內(nèi)，伴隨著眾人的掌聲，“月宮一號(hào)”的艙門緩緩開啟，我與其他兩位志愿者微笑著從密閉艙中走出，標(biāo)志著105天的我國首次長期多人密閉試驗(yàn)獲得圓滿成功?！霸聦m一號(hào)”試驗(yàn)的成功，對(duì)中國航天事業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。太空中植物的作用

2015年，我獲得了教育部“國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生”項(xiàng)目公派出國聯(lián)合培養(yǎng)的機(jī)會(huì)，在德國宇航中心作為“客座科學(xué)家”（Gastwissenschaftler）進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，參與針對(duì)空間站和南極科考站的生命保障研究。

2015年11月8～9日，我應(yīng)邀參加了在德國柏林舉行的Falling Walls Lab論壇，并作為全球遴選出的包括牛津大學(xué)、耶魯大學(xué)等高校的100位青年報(bào)告人（中國高校唯一代表），第三順位演說了生物再生生命保障系統(tǒng)在未來空間科學(xué)領(lǐng)域的研究前景和意義，受到諾貝爾基金會(huì)主席、瑞典皇家科學(xué)院院士Carl-Henrik Heldin在內(nèi)的全球六百多位與會(huì)專家學(xué)者的好評(píng)。期間，還應(yīng)邀與歐洲航天局（European Space Agency，ESA）彗星探測器“菲萊”號(hào)總指揮Andrea Accomazzo進(jìn)行了40分鐘的開放性公眾討論，受到德國當(dāng)?shù)孛襟w的采訪與熱評(píng)。

我在德國宇航中心的主要研究課題是針對(duì)國際空間站和德國諾伊邁爾川南極科考站的生命保障技術(shù)研究?，F(xiàn)行的國際空間站是一個(gè)在近地軌道上運(yùn)行的科研設(shè)施，是人類歷史上第9個(gè)載人的空間站。

說白了，國際空間站就是一個(gè)建設(shè)在空間環(huán)境中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)的研究并不僅限于天文、物理等專業(yè)，也包括醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。那么對(duì)于在空間環(huán)境種植植物而言，最主要的意義是滿足科研需求，包括特殊空間環(huán)境（如失重、大氣組成、射線等）對(duì)于植物生長的影響等，這些地球上很難模擬的環(huán)境有可能讓科學(xué)家們觀察到在傳統(tǒng)環(huán)境下錯(cuò)過的一些特性，也許會(huì)給人類生命起源、物種進(jìn)化帶來更多的啟示。另外一個(gè)比較為人所知的例子便是太空育種，這個(gè)相關(guān)的介紹已經(jīng)很多。同時(shí)，宇航員種植蔬菜等作物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。很多從太空歸來的宇航員們都回憶說，在漫長緊張的太空考察中，他們會(huì)一連花幾個(gè)小時(shí)來觀賞這些賞心悅目的綠植以放松心情。

1990年代，俄羅斯科學(xué)家在空間站進(jìn)行了157天小麥循環(huán)栽培試驗(yàn)，小麥株高只有13厘米，每株只有1個(gè)穗，不分孽，但返回地面后又重現(xiàn)了原始性狀。這些看似神奇的發(fā)現(xiàn)，立刻引發(fā)了各國植物學(xué)、生態(tài)學(xué)家們的興趣，美國政府隨后加大科研投入，美國航空航天局（NASA）會(huì)同美國幾十所著名高校掀起了空間植物科學(xué)研究熱潮，肯尼迪宇航中心和佛羅里達(dá)大學(xué)等科研院所的科學(xué)家們對(duì)小麥、豌豆、生菜、擬南芥、洋蔥、玉米等植物進(jìn)行了多次飛行搭載試驗(yàn)，研究了從諸如光強(qiáng)、光周期、失重、溫度、干旱、輻射等環(huán)境條件對(duì)植物從宏觀生態(tài)反應(yīng)到微觀基因、蛋白表達(dá)譜的一系列研究，形成了從硬件栽培設(shè)備到軟件栽培參數(shù)等諸多專利與成果。

在太空種植作物，其長遠(yuǎn)考慮是未來人類在執(zhí)行載人深空探索任務(wù)時(shí)，航天器內(nèi)的植物將成為生命保障系統(tǒng)的一部分。久處太空的宇航員需要富有營養(yǎng)的新鮮蔬菜，以補(bǔ)充維生素和其他微量元素。培育蔬菜的“太空溫室”除了保證宇航員能吃到新鮮蔬菜，對(duì)改善空間站以及飛船內(nèi)的空氣及水交換也能起到重要作用。此外，空間站栽培植物還有標(biāo)記時(shí)間的作用，研究發(fā)現(xiàn)在沒有日夜交替和季節(jié)變化的太空中生活，航天員容易失去生理節(jié)律，睡眠受到影響。太空溫室可以幫助宇航員調(diào)節(jié)自身節(jié)律，花開花謝間宇航員看到了時(shí)間的流逝?！霸谔罩?，植物是唯一隨時(shí)間變化而變化的存在。”植物的作用不單單是時(shí)鐘——看著植物的變化比看時(shí)鐘帶來的時(shí)間體驗(yàn)更強(qiáng)烈。

放眼火星或小行星探測任務(wù)，太空農(nóng)業(yè)將變得更為重要。未來，太空農(nóng)業(yè)技術(shù)仍需取得重要突破，而且這類創(chuàng)新技術(shù)將惠及地球農(nóng)業(yè)，研究植物在太空中的生長情況或許有一天真的能夠徹底解決地球上的糧食缺乏問題。

責(zé)任編輯：張蕾磊