种子在月球上比在地球上早发芽3天，中国人是怎么知道的？
我们看到，种子长出了一片叶子。
谢更新 · 重庆大学先进技术研究院院长
格致论道·湾区第14期 | 2021年12月7日 广州
大家好！我是来自重庆大学的谢更新，今天想向大家分享一下“月球上的第一片绿叶”的故事。
▲ 宇宙空间里的第一朵花
2015年，美国航天局（NASA）在400公里高度的国际空间站里培育出了宇宙空间里的第一朵百日菊。那么，如果在38万公里之遥的月球上去做这个生命实验，植物能不能长出来呢？
到月球上种菜有多难
月球是不适合生命生存的。月球夜晚的温度在-200℃以下，白天超过120℃，没有空气，还有高能粒子和太阳风，这些都是不适合生命生存的因素。
国际上有很多团队想去月球做一次生命实验。在2013年，NASA就宣布计划于2015年到月球上种菜并创造历史。在2017年出版的《人类2.0》一书中，科学记者皮埃罗∙斯加鲁菲采访了全球15位顶级科学家，其中太空生物采访了NASA的首席科学家麦克。这位科学家认为，他的理想就是带部相机、带个罐子、带些水、带些种子去月球上做实验，再把照片传下来，他说这将“简直棒极了”。
但是一直到现在，我们都没看到国际上的其他国家在月球上种出了东西，没有看到他们的相关报道。 现在我们国家强大了，有了做这个实验的机遇。在2015年，国家拿出嫦娥四号珍贵的3公斤载荷，来向全球征集方案。
最终，我们团队提出的“月面微型生态圈科普载荷”从257个方案中脱颖而出。我们试图在月球上构建一个由生产者、消费者和微生物组成的生态系统来进行培植实验。
▲ 左：嫦娥三号，右：嫦娥四号
嫦娥四号是嫦娥三号的备份，前者的生产、设计、状态都跟后者一模一样。2013年，我国成功发射嫦娥三号，它携带月球车玉兔号着陆到月球上，这使我国成为世界上第三个软着陆月球的国家。这也意味着嫦娥四号在2013年就已经全部做完了，它的位置、空间全部都已布置完成。我们只能见缝插针地用仅有的3公斤重量、在200×200×200毫米的小空间做这个实验。
不像美国能在空间站这一庞然大物上做实验，我们的实验空间非常狭小，整个空气占据的空间有0.82升，生物生长的空间是0.42升。当时着陆器的底板上已经摆不下任何东西了，所以我们所有的器材都只能挂在着陆器的天花板上。而且我们的空气不能通过增压来压缩，因为没有其他的机构让我们增压。只有两个控制信号，就是放水和拍照，因为嫦娥四号还要做很多其他的需要控制信号的实验。
▲ 物理温度控制
在月球上做生物实验，需要把温度控制在-10～40℃，如果低于-10℃或高于40℃，种子都会死掉。因为没有多余的重量，所以我们不能带压缩机或空调过去。更不能带化学制冷剂，这违反了国际上有关行星保护的政策。我们只能用物理的散热片、热管、热泵进行热量平衡和交换，所以挑战非常大。
▲ 捕捉太阳自然光进入罐子
万物生长靠太阳，月球上一个白昼是14×24小时，所以阳光非常充足。但是我们的罐子很小，如果进入太多阳光的话，温度就难以控制。经过计算，如果既要控制温度，又能够满足光合作用的话，需要8毫米直径的阳光进入量。于是我们留了一点余地，用10毫米直径的光导管把阳光引进罐子内。
也许有人会说，直接使用白炽灯光或人造光就可以了呀？但是我们认为，好不容易到月球做实验，一定要利用月球的原位资源。
此外，嫦娥四号有可能会落在一个斜坡上或者是一个石块上，这样我们将面临最恶劣的情况：阳光只能从30°的位置切进去。大家可以想象得到，这个角度进入的阳光会是很少的。
还有一个困难是，嫦娥四号落在月球背面的时候，它扬起的灰尘有10米多高。我们在地面做实验时，灰尘会降落到光导管上面，把光导管全部盖住。为了解决这个问题，我们把光导管做成中间高、四周低的形状，然后在光导管表面涂上一层我们研制的涂料，避免月尘粘上去。
▲ 精准控制放水（18g）
水是生命之源，而月球上是没有任何液态水的。而且我们要对携带的水进行精准控制：水不能带太多，汪洋大海是长不出东西的；不能带太少，要满足植物发芽的需求。经过精确计算，我们必须带18克水上月球。水也是我们这个实验的开关，一浇水实验随即启动。
大家知道，发射的时候力学条件非常恶劣。我们在地面做实验时，一经力学振动，水就洒出来了。此外，月球重力是地球的1/6，在这低重力的条件下，水可能放不出来。为此，我们加了一个水泵。同时，为了防止水撒出来，我们研制了一种溶剂把水管堵住。只有达到月球上的某个温度时，这个溶剂会溶化，水才能够流出来。
▲ 生物固定和静置
除此之外还有其他的难点，比如生物固定。在空间站里，生物固定主要是用纱布或丝网固定包裹，生物可以包得很紧，因为会有人来干预它，只要用手把它解开就可以了。月球上没有人，如果包得太紧，种子发芽的时候就会冲不出来；而包得太松的话，发射的时候就会变成一盘散沙。我们找不到平衡点，于是想了一个办法：用水溶棉作为固定材料，而到月球上水一浇下去，水溶棉就会溶化。
静置也是一个难点。种子只能在月球上发芽，如果它在地面发芽或者死掉，实验就失败了，因此我们必须精准控制它的发芽时间。这个植物舱需要在西昌摆2个月，飞行要飞1个月，要知道西昌的温度是特别适合发芽的。在这3个月我们不能动它，不能做任何控制，我们既要它不死也不能生长，也要它安全。
▲ 高湿度高能粒子照相
还有一个难点就是照相。实验在月球上是否成功，全靠相机传回的照片为证。相机必须有备份，一个坏了另一个补上。我们不可能像航天一样做几十公斤或几公斤的相机，我们的两个相机的总重量只能分配不超过60克。这两个共重60克的相机既要抗高温、抗低温、抗辐射，还要抗高湿度，可想而知，难度与挑战性是很高的。
▲ 9天实验时间
此外，在月球上面做生物实验，不像拍照或是探测那样短时间就做完了。生命要有可以观测到的现象变化，至少要几天甚至几十天，但我们的时间最多只有9天。为什么是9天呢？因为月球的一个白昼是14天，但是嫦娥四号不可能在月球上白昼的第1天就着陆，为什么？因为温度太低，阳光太少，所以要等月面的温度比较柔和的时候才能够着陆。
嫦娥四号于2019年1月3日10点26分着陆，那时太阳高度是36°多一点。嫦娥四号也不可能很晚才关机，它必须在太阳下山之前就关机。因为在太阳下山之前，温度会急剧下降，这样仪器就控制不了了。所以我们只有9个地球日的时间。值得高兴的是，我们争分夺秒，在8天22个小时45分钟的时间内完成了实验。
谁是月球生物实验的“主角”？
物种的选择也非常的重要。前面我们提到微型生态圈必须包括植物、动物和微生物。对于植物而言，我们首先考虑的是将来航天员到月球上吃什么、穿什么、用什么，因此选择的物种必须是生活必需品；这些物种还必须具备抗高温、抗低温、抗逆性等能力；此外，不同种子发芽所需的温度不同，比如棉花是在高温下才发芽的植物。而我们不清楚着陆器什么时候着陆、什么时候做实验，所以被选择的种子的发芽温度要错开。
▲ 动物选择
我们对于动物的选择也很讲究。我们从上百种动物里面挑选了几种动物，首先选的是乌龟，因为乌龟有一个壳，所以它在发射的时候可以保护自己，而且乌龟还不喜欢运动。此外，乌龟还有一个很好的寓意，即龟兔赛跑：当小玉兔停在月球上时，就让乌龟爬上去。不过，虽然乌龟不好动，但它还是需要呼吸的。它在休眠的时候，只用不到20天的时间，就会把容器里面的氧气全部吸干。而着陆器要经过3个月才能抵达月球，所以乌龟还没到月球就会死掉，我们无法用它做实验。
我们还选择了蚕作为实验对象，蚕也是一个寓意很吉祥的物种，是丝绸之路的象征，代表中国的强大。但是蚕很娇嫩，它的生长适宜温度是20～27℃，如果温度太高或太低它都会不吃不喝。为了解决这一问题，我们带上了一块电池，借此为它保温、调温。
但是在2018年2月进行独立评估的时候，正好出现了三星Note7爆炸的事件，很多专家担心电池带到天上有可能会爆炸。所以我们只有忍痛割爱，把蚕去掉，把电池也拔掉。这个时候我们所剩的时间不多了，无法再做其他的设计，于是我们就选择了一个生物学的模式动物——果蝇。
最后，我们选定上图的六个物种搭配在月球上做实验，形成一个微型生态系统。
▲ 左：结构示意图，右：安装位置示意图
这就是我们最终设计的“月球载荷生物试验”罐子，它高198毫米，直径173毫米，重量2.608公斤。为什么只有2.608公斤呢？因为不能带电池上月球，而我们又没有时间去做其他设计了，所以剩下的那非常珍贵的300多克就没用上。大家可以看到右图上的红圈，它倒挂在着陆器天花板上做实验，虽然摇摇晃晃，但是有这个空间就已经不错了。
▲ 载荷装置内部结构图
这是内部结构图，在月球上，光直接从光导管进入装置内，我们就在生物板上0.42升的生物成长空间来做实验，底下的是控制板等，旁边黑色的是散热片。我们通过散热片进行物理散热，在外面100多℃的情况下，让装置内部的温度保持在20多℃。
▲ 生物载荷团队
这是我们团队在西昌上发射塔之前（2018年10月5日）拍的照片，我是研究环境生态的，而我们团队内还有研究环境、机械、结构、生物、通信、控制等领域的学者，是一个跨学科的团队。
月球第一片绿叶诞生
2019年1月3日10点26分，嫦娥四号落在了月球上。由于嫦娥四号总体要做很多实验、检测等，所以到了晚上23点18分，总体才告诉我们可以做实验了。于是我们马上就进行加电、拍照，这两者是同时触发的。
▲ 2019年1月3日23点18分
大家看到拍下来的第一张照片后松了一口气，因为没有出现很多专家所担心的郁郁葱葱或枯枝败叶的情况，我们拍下的照片跟地面的一模一样。我们测到的气压是1.04个大气压，也就是说这3个月几乎没有漏气的情况。而且当时外面的温度已有100多℃了，但装置里面只有30.6℃。所以只要种子不死，水能够放出来，实验就有可能成功。
▲ 2019年1月3日23点48分
半个小时后，总体给我们指令说可以放水了，我们就把18克水一次性放完。大家可以看到，板子上像水珠一样的东西就是我们研制的溶剂，它只有在月球上才能溶化。
▲ 2019年1月4日21点43分
上图圆圈圈出的黄色的光就是月球上的太阳光，这说明光也进来了。既然有光、有水、有空气，温度也合适，那么只要种子不坏，我们实验就有可能成功。这是2019年1月4日拍的照片，大家可以看到照片中有个小绿点。但那时我们不敢说种子已经发芽了，因为我们担心这个绿点可能不是种子发芽了，也可能是一个螺丝钉掉下来了发霉了，或者是一个腐败的种子。
▲ 2019年1月5日08点54分
2019年1月5日，种子一点点长大了，这时我们有一点兴奋了。
▲ 2019年1月7日09点56分
直到1月7日，我们看到种子长出了一片叶子，我们便确定实验成功了。我们向国家总体作了报告，再由总体跟航天局汇报。2019年1月7日晚上大概8点左右，航天局局长带了一批人到我们工位上查看，大家确认种子发芽了，所以就向全球公布了这张照片。
我们还在地面上还做了一个同步实验，这个同步实验在1月7日才看到芽点，所以种子在月球上比在地球上早发芽将近3天。
▲ 棉花种子发芽
大家看看1月7日的这个叶片有什么不同？它的根不是往土里扎的，是横着生长的；而且叶子不是展开的，它像包菜一样包起来了。这就是说在月球环境下，叶片的形态和生长机理发生了一些变化。
▲ 月球生物实验引起国际轰动
实验成功后，2019年1月13日，中央电视台向全球发布了这个消息，引起了国际轰动。Nature 称这个实验是“first time ever”，Science 则说它是“in a first for humankind”。人类的第一次月球生物实验由中国人实现了。2019年10月，我受法国航天机构邀请去做了个报告，我查了一下国际上有5720万条新闻，不是点击量。
▲ 畅想：建立登月基地到月球生活
这个实验取得了成功，我们和各位肯定对月球的下一步、对人类地外生存的下一步有很多畅想。
比如未来我们可以在月球上建花园，让航天员呼吸到由光合作用产生的氧气。我们也许要在月球建食物工厂、建农场，吃我们在月球上种的食物。最终建立我们自己的月球基地。
随着科学技术的发展，人类正在不停地拓展地外生存空间。在本世纪，否有可能产生月球宝宝呢？我们可以一起努力，一起畅想！谢谢大家！
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章转载自公众号“格致论道讲坛”，仅代表作者观点，不代表科学大院立场
推荐阅读
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~