月壤研究有多重要？将来能在月亮上“种菜”吗？

时间: 2024-10-29 00:13:25 |   作者: 栽培技术

---

　　对话郭金虎：月壤能不能种菜？空间站里生物钟怎么变？聊聊空间环境里的生命故事

　　嫦娥六号已完成人类首次月球背面的月壤取样。这是嫦娥六号最受公众关注的任务，月壤研究有多重要？能为将来的国际月球科研站，提供“种菜”的资源吗？

　　同时，我国还有三位航天员叶光富、李聪、李广苏在“天宫”空间站工作，5月28日，神舟十八号航天员乘组完成了第一次出舱活动。不同于地面，轨道上的空间站处于失重环境之中，从2021年6月至今，我国也已积累了一些在太空长期生活的经验。地面和空间站的生活有哪些差异？失重环境对航天员的身体健康有着怎样的影响？航天医学的发展能以什么样的形式造福地面？

　　对于这一系列问题，观察者网与研究空间环境里生物节律的学者、《走出地球的生命》一书作者、中山大学生命科学学院郭金虎教授进行了对话。

　　观察者网：自嫦娥五号带回月球土壤以来，网友们常常调侃要在月球上“种菜”，这次嫦娥六号将采集更多月球土壤。开发月球土壤真的可能吗？

　　郭金虎：月球土壤跟地球土壤差别很大。我在书《走出地球的生命》中写到过一点。地球土壤是在大气、水和生物共同作用下产生的，土壤中含有有机质、无机质和水，也含有很多微生物。月球没有大气，月表直接暴露在太阳辐射和微陨石的轰击之下，月壤不含有机质，极度缺水干燥，形成过程没有生物活动参与，组成月壤的矿物粉末基本是由陨石撞击破碎形成的。因此，想用地球土壤“冒充”月壤，几乎是不可能的。

　　阿波罗登月计划的6次任务，一共从月球正面的6个不同地点采集了月壤样品并带回。苏联的三次“月球号”任务采回300克左右的月壤样品；中国“嫦娥五号”带回1731克月壤样品。科学家们对月球土壤做过一些实验，结果是，月壤无法直接用于栽种，但是如果把月壤作为补充的营养物添加到地球土壤里，则会起到促进植物生长的作用。在含月壤成分的培养基上培育的甘蓝、藻类、蕨类和苔藓等植物表现出了更为旺盛的生长活力。当然，月壤是不是真的能用于“种菜”，还有待更多的实验。

　　月球上富有丰富的氦-3，可以用在未来的核聚变技术上，与核裂变相比，核聚变技术具有清洁、高效的形势。月球氦-3的存量是地球的200万倍，这可能是目前在开发月球资源方面最为吸引人的地方。但是，月球上的氦-3多数都包裹在钛铁矿里，需要高温才能熔出，所以提炼过程需要消耗很多的能量。如果能克服这一难题，那么开发月球资源就又可以朝前迈进一大步。接下来，就需要仔细考虑如何把能源传输到地球的难题了。但这一领域不是我的研究方向，我对这方面的了解不是很多。

　　观察者网：在今年的中国航天日上，中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁表示，国际月球科研站计划在2035年前建成基本型，人类在月球表面的长期活动似乎已不再遥可不及。未来人们是否有可能是在月球表面建成定居点，进一步开发月球？

　　郭金虎：人类在月球建立基地是迟早的事，但现在一致认为月球似乎并不是一个适合长期定居的星球，而是作为深空探测或者前往火星的中转站，这倒是和科幻小说《太空漫游：2001》不谋而合。除了开采工作之外，月球可通过的资源有限，土壤也不适合耕作，定居的成本和代价很大。

　　比如说登陆月球不仅要面对微重力、辐射、能源等问题，还需要面对月壤和月尘。月尘具有毒性、黏性、腐蚀性和很强的穿透力，当无人航天器着陆和巡视时，从月表扬起的月尘，会覆盖在航天器的传感器表面，或者落在仪器和机械运动机构的缝隙里，对工程的实施构成安全威胁。

　　月球表面的重力仅是地球重力的1/6，而且月壤颗粒的电磁特性发生了改变，因此月壤的黏附力很强。航天员出舱进行科学考察时，全身极易粘满月壤和月尘颗粒。这些月壤颗粒虽然微细，却像刀尖一样锐利，很可能给航天员的安全带来重大威胁。月尘颗粒上有很多尖钩和尖刺，如果进入舱内，被吸入人体，会严重损害呼吸系统。

　　最近太阳活动很剧烈，地球上许多地方都出现了极光。太阳喷发的带电粒子会直接冲击地球磁场，对轨道上的空间站和月球也都会造成威胁。

　　开发火星也比人们想象得要困难很多。火星质量小，空气非常稀薄，也没有地磁场，人类必须穿着宇航服才能在火星表面活动，植物在这种环境下难以生存。所以现在一般认为，在火星上只能在巨大的玻璃罩里构建出类似地球环境的生态系统，或者干脆在地下生活。无论是月球还是火星，因地制宜地在已有的熔岩管里构建居所将有很多便利之处，包括能节约成本、抵御辐射和防止陨石撞击等。

　　观察者网：将来载人登月，路上可能还只是在太空“小住”，但如果奔赴火星，就要像现在“天宫”里的宇航员那样待上几个月了。航天员在失重环境中工作和生活，这样的环境对他们的身体健康有咋样的影响？

　　郭金虎：失重环境对人的影响是全方面的。地球上所有生物都是生长在有重力的环境里，已经适应了这种环境，很难在没有重力的环境中生活。

　　举个例子，鲸鱼在海滩上搁浅后很快就会死亡，因没有了海水，它无法支撑自己的体重。对于鲸鱼来说，相当于海水的浮力抵消了一部分的重力，搁浅就像是来到了“重力增加”的环境。对于人类来说，进入太空就像是“抽掉”了重力，是很难适应的。

　　长时间生活在失重环境中，人会面临骨质疏松、肌肉萎缩、“空间运动病”等问题，在太空中锻炼往往只能起到缓解的作用。航天员，尤其是长期在轨的航天员，回到地面之后是需要康复一段时间的。美国双胞胎实验计划的参与者斯科特·凯利（Scott Kelly）在他的书里写到过，他从太空回到地球后，身体每个部位都在疼痛，和家人聚会吃饭的时候也痛得没办法忍受，只能回到卧室躺下。可见失重对人的影响是非常大的。

　　除了肌肉和骨骼外，失重对心血管系统影响也很大。我们站在地面上，血液主要流向下肢，站立时间久了可能会引起静脉曲张。但在低重力的太空中，血液会流向头部和胸部。所以我们会在新闻中看到，航天员在太空中脸部浮肿，这被称为“月亮脸”（moon face），主要是因为血液涌向了头部。血液涌到头部可能还会影响视力，对眼球的形状和结构、视网膜甚至视神经产生一定的影响，导致视力下降。

　　中国航天员科研训练中心会对航天员的生理、心理、行为、工作效率等问题进行系统性的研究，以保障航天员的健康与工作效率。在生物节律等方面，航天员也会使用一些设备来监测健康状况。

　　郭金虎：“空间运动病”主要是对平衡感以及本体感觉的影响。比如我们在地面上原地转一圈，即使把我们的眼睛蒙起来，我们也清楚自己在转圈。在加速或减速移动的时候，或者在坐车时加速或刹车的时候，我们都可以感觉到这种速度的变化。还有一些人前庭系统不太好，对速度、方向的变化太敏感，就非常有可能晕车。

　　人体的内耳中有一种叫耳石的器官，汽车急刹车的时候，人已经停住了，但耳石会因为惯性继续向前移动，这就会刺激毛细胞纤毛并产生神经信号，所以你就可以感觉到速度的变化。

　　然而，在太空中是没有重力的，航天员的前庭系统就也许会出现问题。也就是说，由于太空中没有重力，重力对耳石的影响几乎消失，那么你对位置、速度变化的感知就会出现极大的偏差。第一个出现空间运动病症状的是苏联航天员季托夫，1961年他乘“东方2号”飞船进入轨道后，他感觉自己脚朝上、头向下地倒悬着，还感觉自己在倒着飞。然后又感觉头在晃动，他因此头晕目眩，甚至会出现呕吐症状。这状态跟我们地面上晕车有点像，因此能幽默一点，把这样的一种情况叫作“晕飞船”。

　　我们常说的“空间运动病”主要指的就是方向感、平衡感以及本体感觉到影响，这会影响航天员的许多行为，甚至影响他们的工作效率。在地面，我们根据物体下落的方向能确定上方和下方，但在空间站里是没有重力的，就不能通过这种办法确定上下。实际上，在空间站里并不存在客观的上下方位，而是为了生活和工作方便人为标定的，在这种环境里，航天员睡觉时可以平躺、直立，或者采用倒立的姿势睡觉，都不会感到有什么区别。

　　以前美国的统计多个方面数据显示，空间站的航天员服用最多的药物就是用于改善“空间运动病”的影响，排在第二名的药物则是改善睡眠。一般而言，多数航天员的空间运动病会在进入太空一段时间后消失，但也会在后续的时间里突然复发，而且目前尚未发现其中的规律。

　　观察者网：您的研究方向是生物钟，我们很多人都听说过生物钟与日常作息有关，但它与载人航天有咋样的关系？

　　郭金虎：地球的自转周期大约是24小时，有白天和黑夜，光照、温度、湿度等外因都会改变。生物生存需要适应环境，不仅要适应高山、海洋等空间的特征，还要适应时间的变化。就像在沙漠里，生物不能只适应白天干旱高温，也要适应沙漠夜晚的环境。

　　生物钟是经过长期进化产生的，是很多生物适应环境昼夜变化的内在机制。比如人的体温，在傍晚时最高，凌晨时最低，有明显的昼夜节律，相差1℃左右。人的血压、花朵绽放、蔬菜分泌抗虫物质等等，都有昼夜节律，受生物钟影响。

　　太空的环境和地面不一样，太空是失重环境，光照变化周期也和地面不一样。比如中国空间站每90分钟绕地球一圈，每天绕地球飞行16圈，这90分钟就是空间站昼夜交替的周期。空间站还存在噪音问题，噪音可能在50-60分贝左右甚至更高。在这样的情况下，人的睡眠、生物节律其实都会受到很大的影响。航天员本身也很忙，作息安排没那么规律，所有这一些因素都会导致航天员的生物钟出现紊乱。但到现在，还没有人知道为啥人的生物钟在太空中会发生这样的变化。

　　5月28日，神舟十八号航天员乘组完成第一次出舱活动（中国载人航天工程办公室）

　　几十年前，对太空环境下的生命科学研究主要是美国、苏联进行的，欧洲一些国家也有参与。国际上会把猴子、老鼠或者更加低等的生物送到太空，观察它们的生物节律变化。我国相关研究大约是在近20年前开始的。但到目前为止，各国对于空间环境下生物钟的变化规律研究还不是很系统，很多问题还不清楚。相比于其他领域，对生物钟的研究还是比较少的。

　　生物钟是历经亿万年的岁月演化而来的，它赋予了我们适应地球昼夜环境（具有24小时的光照和温度变化周期）的能力，但也使得我们难以适应空间以及其他星球的昼夜环境。比如空间站一昼夜只有90分钟，月球大概是30天，火星一昼夜倒是跟地球比较接近，但仍然多出约40分钟。以后我们在月球基地和火星基地生活、种植作物、饲养动物，得依赖人工光照调节昼夜节律，否则哪怕只部分受到火星环境的影响，都可能对作物的生长和收成带来不利影响。

　　当然，最终当人类携带其他生物在月球、火星上长期生活后，人类及其他生物也会开始改变，去适应那里的环境。这是一个漫长的演化过程，至于演变成啥样子，只有未来才可能知晓。

　　观察者网：在十几天的“奔月”或几个月的“奔火”过程中，生物钟又会怎么变化？

　　郭金虎：月亮很容易让人失眠，比如让一千年前的苏轼失眠，大半夜去承天寺找张怀民一起夜游。不仅古人想去月球，现代人也很渴望，这一点甚至在音乐上也有体现，张雨生有首歌就叫《带我去月球》，国外有首好听的爵士乐叫Fly me to the moon。

　　在地球上，一些神秘主义者认为月球会影响人的很多生理活动，包括生物钟和睡眠，但这方面的证据并不充分。比较可信的是，月球以及月球引起的潮汐对海洋鱼类的生殖行为影响非常明显。

　　当我们离开大地飞向月球，所面临的环境和地面上差异非常大。站在荒芜的月球上，地球仿佛成了蓝色的月球，浮在空中。月球上除了南北极外，另外的地方要28天才完成黑夜、白天的轮转，这和地面的24小时周期很不一样。月球表面的辐射很强，重力只有地球表面的1/6，这一些因素对人的节律具有怎样的影响还缺乏系统性的研究。

　　但是，我们不妨来看看参加阿波罗计划的美国航天员的说法。阿波罗7号和8号任务的航天员节律紊乱显而易见，阿波罗9号和10号任务对航天员作息进行了调整，睡眠有所改善。阿波罗11号任务里，航天员完成了登月，在月球上停留了21.6小时，在月球上行走的阿姆斯特朗和奥尔德林的睡眠都不好，原因包括持续的强烈阳光照射、航天服带来的不适，和来自地面指挥部的密集指令等。

　　此外，人类首次登月给他们带来的荣誉感和兴奋感等心理因素，可能也是干扰他们睡眠的原因。

　　迄今为止，人类还没有踏上前往火星的征程，所以节律在火星上如何变化还不清楚。但是，也有人做了一些模拟火星环境的实验，例如在凤凰号火星车任务期间，地面操控人员每天并不是按照地球自转的24小时周期作息的，而是按照火星的昼夜周期——火星一昼夜为24小时39分钟。这项研究的结果发现，即使只相差约四十分钟，工作人员的节律和睡眠也难以适应。

　　我们曾经对一名在模拟火星周期下生活了一个月的志愿者进行研究，发现火星周期可能会影响人的节律和情绪，不过由于这次研究只有一名志愿者，所以还需要后续更多实验的验证。

　　观察者网：那与人类相比，其他生物在失重环境中会不会表现得更加“强悍”？中国空间站进行了哪些有趣的生命科学实验？

　　郭金虎：跟人类相比，微生物总体而言更“强悍”，生存能力更强。但在真空环境里，它们也难以生存。现在所知能在真空环境里存活的少数生物中，有一种叫水熊虫。欧洲空间局曾开展过一项研究，在258—281千米高的低轨道空间的10天时间里，把脱水的成年水熊虫暴露在空间的真空环境下，结果水熊虫仍然能够存活，并且返回地面后存活率也没有明显降低。

　　另外还有耐辐射奇球菌，它可以抵御极度的脱水、寒冷、真空、强酸、营养缺乏等严苛环境，对辐射也有超强耐受力，它是目前已知抵御极端环境的能力最强的，被“吉尼斯世界纪录”收录，还被誉为“世界上最顽强的细菌”。

　　在空间站里，环境没这么极端，微生物和人类生活在一起。但微生物在太空中的生存状况是很难预测的，可能会具备更强的生存能力，也可能弱化，并不是所有生物都能够慢慢适应太空的生存环境。当然，为了能够更好的保证航天员的健康，对微生物的处理肯定是要慎重的。特别是航天员在轨时间长了，会出现免疫力下降，这时候就容易“小病变大病”（“阿波罗7号”的几位航天员就曾经被疾病折磨得疲惫不堪，这种疾病在地球上只能算是小毛病的感冒）。

　　去年，神州十六号航天员乘组在中国空间站进行科学实验（中国载人航天工程办公室）

　　在其他方面，中国空间站也进行了不少生命科学实验，比如植物种子的太空栽培、对干细胞在太空生长的研究，还有包括失重环境对肌肉和骨骼影响的研究。说点有趣的，也是我在书中写到的，比如航天员景海鹏曾展示过在空间站里养蚕，这是香港中学生提出的一个研究项目，目的是探究蚕在空间环境下生长、发育的变化。景海鹏发现，与在地面时的情况相比，这些生长在太空里的蚕宝宝长得不是很健壮，也不太爱活动。

　　“天宫二号”中尝试了种菜，不过是实验性质的，没有吃。在神舟十四号任务中，航天员也在空间站种植拟南芥、水稻和生菜等植物，还品尝了他们自己种植的生菜。种植生菜用的基质不是土壤，而是蛭石。我们在家里养花也经常会用到蛭石，它具有自重轻、透气和保水等特点，能增加土壤蓬松度，而且具有调节土壤酸碱平衡的功效，常与泥炭、珍珠岩等进行搭配使用。

　　培养生菜的培养箱并不是从地面带上去的，而是在天上采用3D打印技术打印出来的。尽管没有了重力，生菜仍就保持着向光生长的特性，并且生长得似乎比在地面上要高一些。由于没重力，所以不能像在地面上那样浇水，而是将水注入生菜根部的蛭石里。

　　观察者网：随着载人航天技术的进步，商业太空飞行的话题愈发火热，海外一些公司正积极地推进将游客送入亚轨道的商业飞行任务。在您看来，未来的商业航天飞行具有怎样的发展前途？没有接受过训练的普通人可以畅游太空吗？

　　郭金虎：现在航天已经慢慢的变成为大家习以为常的话题了，技术越来越成熟，风险也不断地降低，将来肯定会有更成熟的商业航天飞行。太空旅行对体质当然是有一定要求的，但不需要像航天员那样强的体质。就像长途客车的司机与乘客，一般人没办法驾驶客车爬山路，但乘客不需要仔细考虑开车的问题。

　　游客在太空停留的时间正常情况下不会很长，游客只要可承受住火箭发射时的加速度，在出发之前接受适应失重环境的训练，回到地面之后进行一些康复训练就可以了。

　　观察者网：航天医学关注众多跟航天员医疗健康有关的方面，这对我们在地面生活的人们有咋样的意义？航天医学的研究成果会如何造福地面？

　　郭金虎：当然会有促进技术进步的作用。对于航天事业，有一种说法叫“天为地用，地为天用”。地面的研究是为了支持人类进入太空，在太空的很多研究是为了造福地面。比如说，我们刚才提到，太空会对航天员的心血管系统造成影响，会引起骨质疏松和肌肉萎缩，但地面上也有很多这样的病人。在太空中的研究如果取得了进展，有助于推动地面的医学进步。再如，改善航天员的感知、提高他们的工作效率的研究成果，对于地面相关人群的疾病治疗同样有益。

　　反过来，地上的研究成果能帮助天上的航天员。例如我们前面说到的空间运动病，在地球上有多人也遭受着眩晕或者平衡感障碍的痛苦，针对这些患者进行研究，取得的成果会推动空间运动病的研究进展。

　　其实，现在生活中很多事物都受益于航天。例如数码相机的发展、方便面的蔬菜包，甚至尿不湿，都与航天息息相关。一些技术最早是用在航天上的，在航天方面有了突破，然后才逐渐减少相关成本在民用领域推广。

　　再举一个例子，在没有重力的情况下，人在身体放松时的姿态称为中性身体姿态模式，这种姿态较为放松，不容易疲劳。20世纪80年代，NASA曾经对“天空实验室”空间站的12名航天员进行了微重力环境下的动作和姿态数据采集，获得了中性身体姿态数据，用来指导设计和制造符合人体工程学的航天设备，既提高设备操作的舒适性，使航天员不易疲劳，也增加安全性并提升工作效率。后来基于这种理念，中性身体姿态数据也被应用在汽车的座椅设计上，提高了驾乘的舒适感与安全性。

　　观察者网：时至今日，人类依然未曾发现地外生命存在的证据。在太阳系中，木星和土星拥有地下海洋的冰卫星被视为潜在的“生命摇篮”，NASA和欧洲航天局均已计划向这些卫星发射探测器。在您看来，对地外生命的探测面临哪些难题？这对我们探究地球生命的演化有什么意义？

　　郭金虎：到目前为止，还没有地外生命存在的直接证据。2022年，日本“隼鸟2号”探测器从小行星“龙宫”带回来的土壤样本里，科学家发现了氨基酸。氨基酸是生命组成的重要部分，这在某种程度上预示着宇宙中可能有其他生命存在。但这是非常间接的证据，有氨基酸也不代表就一定能形成生命，只能说是像搭积木的时候手中有积木一样。

　　木星和土星的冰卫星的确拥有地下海洋，但它们也有着不利于生命存在的因素。它们的环境极为严酷，温度极低，且多为甲烷海洋。这些卫星也可能会产生与地球不同的生命形式，但我们还没看到这样的证据。

　　现在人们对地外生命的探索，很大程度上是基于对地球生命的认识。地球早期生命是如何诞生的？有机小分子是怎么变成有机大分子的？对这些过程的研究能够适用于探索地外生命。反过来推导也是一样的，对于地球生命的诞生问题，我们还没那么完整的科学链条。如果我们在其他星球发现了处于原始、低级状态的生命，我们大家可以反过来推演地球生命的起源。

　　美国“卡西尼”号探测器拍摄的土卫二图像。去年，科学家发现土卫二冰下海洋中包含构成生命的全部六种基本元素（NASA）

　　郭金虎，中山大学生命科学学院教授、博导。中国宇航学会航天医学工程与空间生物学专业委员会委员、中国细胞生物学学会生物节律分会副会长，曾任中国空间科学学会空间生命起源与进化专业委员会副主任委员。主持临港实验室—中国航天员中心人因工程国家级重点实验室“求索太空脑计划”项目、钱学森实验室太空探索培育项目等。