生物圈，地外星球的生存方式

尘萧

1995年3月22日，俄罗斯宇航员波利亚科夫创造了人类在太空连续生活和工作最长时间的世界纪录，这段长达437天17小时58分的太空停留纪录至今无人能破。在这14个月漫长的太空生活中，波利亚科夫吃的每一粒食物，都需要飞船从地面运送，而用火箭发射1千克物体到太空的成本大于7万人民币，因此他在太空每日的开销都是一笔天文数字。

如果人类在未来进行更长时间、更远距离的太空探索，如构建月球基地、火星基地，由于路途遥远，仅依靠携带或物理化学再生方式满足生命保障需求，无论从技术还是成本都难以实现。因此若想要在地外星球生存，就需建造密闭生物圈，提供足够人类生存所需的氧气，处理人体代谢的二氧化碳与排泄物，并生产足够的水与食物。

说到这里，有读者可能会说，种植植物可以满足上述所有条件。没错，构建这样的生物圈，高等植物作为自养单元，不仅可通过光合作用吸收人员、微生物等异养单元释放的二氧化碳，产生氧气，其自身还可生产果实，供人员食用，与此同时，植物的蒸腾作用可以产生水。但这一切说起来简单，实现起来却没那么容易。

2014年5月20日，由北京航空航天大学刘红教授团队开发的“空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置”，即“月宫一号”成功完成了长期多人密闭实验。3名舱内实验志愿者结束了长达105天的密闭环境生存测试，成功地验证了“月宫一号”系统技术的可行性，满足了人在密闭环境内所需的多项生存条件。那么，这是一个什么样的密闭生物圈呢？内部物质如何循环，人在里面怎样生活？

参加本次实验的志愿者王敏娟博士告诉笔者，这套密闭实验舱在有限的空间内构建了一套人工生态系统，可循环再生氧气、水和植物。王敏娟说，“月宫一号”内有3套水处理系统，分别用于处理空气冷凝水、卫生废水和尿液。饮用水的获取相对容易，可通过空气冷却系统将植物蒸腾作用产生的水蒸气转化为冷凝水，再通过冷凝水净化系统获得饮用水。冷凝水经过初滤、活性炭吸附、超滤和紫外消毒，分别去除水中悬浮颗粒物、有机物和微生物等，使水可放心饮用。尿液则采用生物与物理化学相结合的方法，回收其中的水和部分氮素循环用于植物栽培。卫生废水经生物净化后用于配制植物所需的营养液。

王敏娟介绍，密闭实验舱中气体循环主要通过植物光合作用实现，但与水循环相比，气体循环的难度相对更大。众所周知，空气由约78%的氮气、21%的氧气、0.03%的二氧化碳，以及其他微量气体与杂质组成，在只有300立方米的实验舱内，保证各种气体含量的稳定十分必要。她说，由于个体对二氧化碳敏感程度不同，进舱前须进行严格的生理指标检查，最初备选的6名志愿者中就有1人因对较高浓度的二氧化碳反应敏感而无法进舱。对固体废物（枯萎植物、人体排泄物等）的处理也选用生物有氧降解，产生二氧化碳气体，最大限度减少甲烷等有害气体产生。同时，试验过程中还采取一定调控手段，实现氧气——二氧化碳循环平衡。舱内温度通过空调制冷系统以热交换原理进行调节， 整套空气循环管线也是完全封闭的，不会与外界发生物质交换。

值得一提的是，在本次长达105天的实验中，舱内水与大气再生度达到100%。该成果对以后进行更大空间的密闭实验舱建设，甚至未来可能的月球乃至火星生物舱建设都有很大帮助。

民以食为天，如果去了地外星球，如何解决“吃”这件重要的事呢？王敏娟说，在本次密闭实验中，植物舱共提供了55%的食物来源，其余的则携带入舱，主要为肉类和一些辅助食品。植物性食物物种的选择十分科学，在提供人体生存必须营养物质的前提下，还要单位体积单位时间产量高、收获指数高，这些植物的生长速度与舱内耗氧的异养生物（包括人、废物处理中的微生物、饲养的昆虫等）之间也必须能很好的拟合。

舱内植物如何传粉是很多人好奇的问题。王敏娟认为，这并不难实现，首先，“月宫一号”中的空气可通过空调和风机循环流动；其次，舱内植物架上安装有小型风扇，可加速空气流动。这次实验没有引入昆虫授粉，因为每多一个物种，就会增加微型生物圈的复杂性，所以，舱内主要种植的粮食作物为可自花受粉的小麦与大豆。小麦是风媒花，有风即可授粉，而大豆是严格的闭花授粉作物，不需借助其他形式的传粉工具。此外，多数蔬菜为叶菜类，无须等开花即可收获。舱内唯一需要人工授粉的草莓只需在开花之初用软毛笔蘸花粉刷柱头即可。

长期在密闭空间工作生活，除生理问题外，舱内人员的心理问题也不容忽视。王敏娟告诉笔者，在志愿者人员选择上，研究团队考虑了不同个体性格互补的因素，这与工作技能、身体素质同样重要。她说，这次实验共3名志愿者，大家融洽的相处非常有利于实验的顺利进行。与此同时，研究团队请心理医生定期对人员心理状态做测试评估，防止久处密闭空间产生压抑、自闭等心理疾病。在谈及为何不饲养羊、香猪等哺乳动物作为食物时，王敏娟说，除饲养空间和生长周期，以及引入物种会导致生物圈内变量增多等因素外，还有一个很重要的原因——人类易与哺乳动物产生感情。她补充说，在我们的正常生活中，人的情感容易被分散，不太会因一个人或动物的死亡产生极端情绪，但在一个只有300立方米的空间内生活工作3个月或更久，能产生眼神交流的除队友外，只有这些动物，要下手屠宰并食用它们，会使人产异常情绪波动。这是不选择饲养小型哺乳类动物的重要原因之一。

此次长达105天的“月宫一号”人工闭合生态系统实验的成功标志我国解决了在建立月球基地生态环境中的一部分关键性理论与技术问题，并为建立火星长期居住基地解决了一定程度的生态生命保障问题，具有重要的里程碑意义。但这毕竟是中国首次进行此类实验，很多技术还需进一步完善和发展。相信在后期的实验中，问题能够得到一一解决，为中国乃至世界和平探索与利用太空做出积极的贡献。

责任编辑：陈肖endprint