“月宫365”：挑战世界纪录的密闭生存实验

□ 吴琳

“月宫365”：挑战世界纪录的密闭生存实验

□ 吴琳

▲ 香港航展上的“月宫一号”模型

从7月9日至今，“月宫365”实验计划的第二组成员已经入住北京学院路“最贵学区房”两个月了，他们避开了大北京的酷暑和间歇性暴雨，在“月宫一号”中过着自给自足的“田园生活”。他们要完成接下来200天的驻留生存，如果成功则意味着中国志愿者创造了新的纪录。此前，这一纪录为180天，由俄罗斯创造。

再入“月宫”

“月宫365”实验计划是在“月宫一号”中生活365天，实验人员分两组交替进行，每组4人，第一组60天，第二组200天，之后第一组再完成105天。

“月宫一号”由北京航空航天大学教授刘红带领团队研制建立，是一个生物再生生命保障系统（简称BLSS）。它是干什么用的呢？

大家知道人类要离开地球在遥远的太空生存，离不开氧气、水和食物。不论是我国的神舟系列飞船还是国际空间站或者苏联/俄罗斯和平号空间站，飞船上天通常会携带全部物资，或通过物理化学方式再生氧气和水，而航天员吃的食物只能一次性携带充足，不能再生。

然而，如果人类在不远的未来进行更长时间、更远距离的太空探索，例如构建月球、火星基地，由于路途遥远，食物完全通过携带或从地面定期补给将变得十分昂贵且很难实现。解决办法只有依靠“生物再生”——在月球、火星基地或是飞向火星的飞船中，构建一个类似地球生物圈的小型生态系统，即生物再生生命保障系统。

在电影《火星救援》中，主人公马克把部分居住舱改造成了自体循环的小农场，靠种植土豆在火星维生，而真实的太空生存比电影中复杂得多。“月宫一号”正是在地面上模拟未来太空生存保障模式，使进入太空后不再需要或很少需要地面物质支持，氧气、水和食物在系统内通过生物技术再生，航天员可长期在站内工作和生活成为可能。

2014年1月—5月，“月宫一号”完成了105天的处女秀，实现了我国首次长期高闭合度集成实验，在此之前，世界上只有美国、俄罗斯掌握这项技术。

如今“月宫365”是在此前实验基础上对系统闭合度、实验周期等实现再突破，还将研究人长期在幽闭环境中的心理变化，以及自然光节律、肠道微生物、不同种类植物对人情绪的影响等。实验人员在入住月宫周记里这样写道：“我们有固定的生物节律、科学的饮食搭配，衣食住行遵循统一要求。”“我们作为实验操作者同时也是实验对象，我们需要对自身取样，从头发丝到尿液粪便，还要定期完成心理和生理测量，我们每个人都是强大的数据库。”

▲ “月宫一号”植物舱的三层种植架

“月宫”生活

生物再生生命保障系统被形象地称为“太空农场”，在“月宫一号”这个农场里，“太空农夫”是如何生活的呢？这要从“月宫一号”的户型结构说起。

“月宫一号”由一个综合舱和两个植物舱组成。综合舱包括居住间（四间卧室）、人员交流和工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间。植物舱采用三层立体栽培方式，使种植面积大幅增加，每个植物舱分隔为两个植物间，可根据不同植物生长需要独立控制环境条件。

简单来说，这个“农场”除了“农夫”外，还住了植物、动物、微生物三类成员，因此，“月宫一号”成为世界上第一个四生物链环的人工闭合生态系统。

植物不仅能够提供食物，还可以通过光合作用产生氧气、通过蒸腾作用获得纯净的饮用水，“月宫一号”大约每天可以收集300升水。植物中人不吃的部分，比如作物的秸秆、蔬菜的根和老叶败叶，可以用来饲养动物，动物能够提供优质蛋白和更合理的氨基酸配比。剩下的植物不可食部分、人的排泄废物、厨余/生活垃圾，被送进微生物降解环节，微生物可以分解被固定的碳，变成二氧化碳进入到空气中重新被植物利用进行光合作用；从尿液中回收水和氮素以及经过生物净化后的卫生废水，用于灌溉培养植物。植物吸收了这些废物处理产生的二氧化碳和水，又可以不断生长出新的食物。这样就形成了“月宫一号”里物质的闭合循环。

在“月宫一号”首次长期高闭合度集成实验中，栽培筛选出5种粮食作物（小麦、大豆、花生、油莎豆、玉米），15种蔬菜作物（胡萝卜、豇豆、四季豆、紫叶油菜、紫叶生菜、奶油生菜、油麦菜、茼蒿、马齿苋、苋菜等），1种水果（草莓）。

很多人会有疑问：小麦是季节性作物，产量够吃吗？其实小麦是分批次栽培的，这样既保障了连续不断的食物供给，也能保障氧气的稳定供给。种植小麦的“土壤”是一种经特殊筛选的无机基质，用特制的微孔管产生的负压进行按需供水，这一栽培方式在月球的低重力条件以及空间站的微重力条件下依然可行。“月宫一号”中植物生长所依赖的“太阳”就是LED光源。

“月宫一号”里饲养的动物黄粉虫可以算是明星乘员，它是国际上公认的安全可食用的虫子，含高达60%的蛋白质，还含有磷、钾、铁等常量元素和多种微量元素。在“月宫一号”中，油炒黄粉虫就是一道营养丰富的家常菜。黄粉虫可以处理系统中部分不可食部分，它呼吸产生的二氧化碳还为植物光合作用提供了原料。

“月宫一号”中还有一群数量庞大但常常被忽略的生物体——微生物群落，主要来降解废物。有的微生物还充当着系统保护者的角色，比如某些植物抗病微生物可以帮助植物抵抗病害，再比如人体的肠道益生菌群可以帮助消化。有的微生物如条件致病微生物，在环境发生改变时有可能变为致病菌，还有一些微生物寄居在舱室关键设备上腐蚀材料，有可能影响系统运转，因此，“月宫一号”要定期监测、清除有害微生物。

“太空农场”的四类成员就是通过上述过程完成了固体物质循环、气体循环和水循环，实现氧气和水100%再生、食物80%再生的目标，过上了“吃喝不愁”的生活。

当然，“月宫”生活也有“惊心动魄”的时候。杨利伟自述在太空曾遭遇的神秘敲击声，在“月宫一号”系统启动实验期间舱内也听到了类似的“咚、咚”敲击声，实验人员一度非常担心。经过分析检查，发现是舱体内壁材料在舱内压力变化时发生微小变形所产生的声音。

刘红解释，“月宫一号”是密闭舱室，舱室内温度和湿度是调控在适宜舱内人或生物生活或生长的条件，因此舱室内外压差会发生变化，导致舱体内壁的材料就会发生一些形变，内外压差变大时，向外变形，减小时，向内变形，从而发出响声，听上去类似有木头锤子敲在舱外面的感觉。不过这个变形对舱体的安全没有影响，属于正常现象。

▲ “月宫一号”结构3D图

▲ “月宫一号”系统物质循环示意图

▲ “月宫一号”植物舱外观

与地球媲美的“月宫”

前面说到生物再生生命保障系统是为将来人类真正在太空居住提供保障，因此，俄罗斯、美国、日本和欧洲等航天大国都投入大量人力、物力，先后建立了不同类型的生物再生生命保障地面综合实验研究装置。

美国“生物圈2号”——

很多人将“月宫一号”与美国亚利桑那州的“生物圈2号”相比较，其实两者之间有本质差别。生物圈1号指的是我们赖以生存的地球生物圈，是指地球上所有生态系统的整合。美国为了模拟地球生物圈建立了“生物圈2号”。

刘红认为，“生物圈2号”虽然将地球的大部分生态系统类型按照比例各取一块放到一个密闭系统内部，生物物种丰富，系统复杂且体积庞大。但是与地球生物圈相比还是非常的简单，依靠其自身不能实现自平衡。同时，由于其采用的是玻璃日光温室的结构，是直接利用自然光进行植物培养，环境条件（光照、温度）受到外界天气的影响变化较大，系统内部生物过程（例如植物的呼吸、光合）不能实现人工控制，从而影响系统内部气体再生、物质流动。

“生物圈2号”失败的原因还在于空气净化方法和结构材料的选择。其内部农田生态系统大量使用了亚利桑那州的土壤，土壤中带有大量微生物，其中的有机物非常有利于微生物生长，为了净化系统中的空气，设计将空气用鼓风机鼓风通过土壤层，利用土壤净化空气，但土壤中的微生物疯狂消耗空气的氧气，造成了内部的气体失衡。此外，内部设施大量使用了混凝土，混凝土吸收了大气中的二氧化碳，从而导致系统二氧化碳损失。

“生物圈2号”实验虽然失败了，但它让我们意识到，要让这样简单的自然生态系统自调节实现平衡是不可能的。

“月宫一号”目的是为了提供地外生命保障，所有的生物部件（动物、植物、功能微生物）都是经过筛选并进行大量实验研究，实现精确量化，系统是在此基础上经过定量计算设计完成的，植物所需的光能来自于可控的人工光源（LED），且系统内部温湿度也可人工调控，因此生物过程可以实现人工控制，从而可以通过人工干预调控实现系统的稳定。同时舱室内构造和设备所使用的各种材料不会吸附或者释放氧气、二氧化碳等。

俄罗斯BIOS-3系统——

鲜为人知的是，俄罗斯在“生物圈2号”之前就建立了BIOS-3系统，120平方米，300立方米，不锈钢密闭舱室，人工光源（氙灯），并进行了2～3人180天的生命保障实验，实验非常成功。BIOS-3告诉我们，每个生物单元都进行精确定量，按照生态系统的原理进行定量计算和设计，系统可以实现人工调控和物质平衡。

“月宫一号”借鉴了俄罗斯的经验和“生物圈2号”的教训，每个生物单元都进行精确定量，系统可以实现人工调控和物质平衡，从而实现系统的长期稳定运行。

▲ 实验人员在舱内挥手微笑

▲ 生物圈2号外景

但“月宫一号”与BIOS-3也有一些区别。第一， BIOS-3中人的粪干燥排出系统外没有处理，秸秆采用焚烧；“月宫一号”中将人的粪、厨余、秸秆共同进行生物发酵处理，生物转化制备类土壤基质，同时回收二氧化碳。第二，BIOS-3中完全没有动物培养，动物蛋白完全从外部提供；“月宫一号”中探索了在系统中进行动物培养，将秸秆进行发酵处理后饲喂黄粉虫，为成员提供部分动物蛋白。第三，BIOS-3为平面种植，采用的普通潮汐水培，光源为氙灯；“月宫一号”为三层立体栽培，采用的是无动力负压按需供水栽培技术，光源为LED灯，在栽培技术上有很大进步。第四，BIOS-3中种植了11种作物，“月宫一号”中种植了21种作物，大幅提高了食物的多样性。

正是具备了上述优势，“月宫一号”被称为能与地球媲美的“微型生物圈”。当初“月宫一号”处女秀进行了105天，有人以为其系统不稳定只能运行105天。刘红表示：“这是一种误解。之前实验系统的闭合度为97%，就是说97%的物质系统内循环再生，3%的物质由外源提供。理论上在保证3%外源的情况下，系统可以一直运转下去。进行了105天的实验，主要是因为资金限制，同时105天可以满足第一次长期多人密闭实验的科学与技术目标。” ★

（特别感谢“月宫一号”微信公众号为本文提供相关素材）