论文部分内容阅读
月球上长出了第一片绿叶！
2019年1月7日上午10点左右，随嫦娥四号登陆月球背面的生物科普试验载荷传回试验照片。
画面中，一株绿色的植物嫩芽从土里冒出了头。
这是人类在月球上种出的第一株绿叶植物，
也宣示了重庆大学牵头研制的“生物科普试验载荷”项目获得成功。
重庆大学的“生物科普试验载荷”项目，是在嫦娥四号面向全国征集“月球探测载荷创意设计征集活动”的近300份作品中脱颖而出的，并于2016年底被最终确定为搭载项目之一。这既是人类首次在月球背面进行生物生长实验，也是人类首次在月面尝试以较高等生物构建太空生态系统。
从2019年1月3日23：18，嫦娥四号登陆月球第一天生物科普试验开始，到1月12日20：03：34载荷断电关机，生物科普实验按计划顺利完成，部分指标甚至超过预期。“以前科学家在空间站以及其他航天器上开展过多次生物试验，但月球上还从未有过。”教育部深空探测联合研究中心副主任、生物科普试验载荷总设计师、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授表示，团队通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下动植物的生长发育状态，已初步实现人类首次月面生物试验，大量珍贵的第一手数据，将对人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。
6名“旅客”
有幸享受本次太空旅行的6名“旅客”，是马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母。其中，植物生产氧气和食物，供所有生物“消费”;作为消费者的果蝇和分解者的酵母，通过消耗氧气产生二氧化碳，供植物进行光合作用。在此过程中，酵母可以靠分解植物和果蝇废弃物生长，又可以作为果蝇的食物。如此循环往复，一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统就此形成。
看似简单的6种生物，却是经历上百次物种筛选，无数次生物实验后胜出的“佼佼者”。首要条件是“个子小”，因为进行生物科普试验的空间有限，里面的动植物不能占用过多空间。其次，由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制，符合条件的动植物必须耐高温、耐冻，还要能抗辐射和抗干扰。为此，重庆大学生命科学学院太空生物学研究团队课题组历经两年，从云南深山悬崖到新疆沙漠地区，找遍各种能在极端条件下生存的生物物种，挑选了上百种植物进行实验、筛选。
土豆和拟南芥被确定后，团队从生物的多样性上考虑，又扩大了参与实验的植物范围。根据罐内资源变化进行数百次试验后，棉花种子最先发芽，接着发芽的是油菜种子，它们因此获得了珍贵的入选机会。
太空生物学团队负责人告诉我们，在生物种类的筛选过程中，除了要实现在月球表面环境下植物种子发芽和幼虫成长的最低目标，还要基于未来进一步开展太空生物学研究的长远考量，以为将来人类进入月球乃至地外星球生存提供保障。
粮、棉、油是人类赖以生存的最基本需求，“马铃薯是大家熟悉的食物，很有可能是以后太空里的主食。我们这次选择的土豆是特别培育的小个子品种。油菜则是太空食物中不可或缺的油料保障。”值得一提的是，本次入选的棉花种子是低酚棉，俗称“无毒棉”。“因抗虫害需要，目前在地球上普遍使用的是高酚棉品种，在对月表面生态环境进行充分研究后，我们发现，在地球上不适用的低酚棉，却能很好地适应太空环境。”团队成员向我们介绍道。“好邻居”拟南芥、果蝇、酵母，则因其作为全球科学家研究生物的模式物种，生长周期短，能够在短时间内展示完整的生命过程而得以入选，便于研究生物生长发育和代谢规律。
为进一步凸显本次生物科普试验载荷的科研和科普价值，项目组同时开展了地、月对比实验，包括同一个生态系统（密闭空间）在地球、月球不同条件下以及在地面自然条件下（开放空间）的生长发育情况对比。
2019年1月3日晚23：50分，地面试验载荷与月表载荷同步注水，对照试验正式开始。1月12日，地面对照实验罐体内已陆续发现棉花、油菜种子萌发，且长势良好，可观察到嫩绿的子叶。开放环境下，可见油菜、棉花和马铃薯种子萌芽，幼苗呈茂盛生长趋势。
“这是全人类第一次在月球上做生物实验，并且成功地长出了绿色植物。虽然这次实验的时间只有212.75小时，但我们拿到了大量的珍贵的第一手数据，为以后研究打下了基础。”重庆大学副校长、科普载荷项目总指挥刘汉龙说。
在月面进行9天的发芽和生长实验后，生物科普试验载荷进入断电状态。在月夜温度零下52℃的情况下，载荷内部所携带的六种生物结束了本次科普试验使命，处于冷冻状态。待下一个月昼期温度上升后，这六种生物会被慢慢分解成无害的有机物，并将永久封存在生物科普试验载荷内。
吃百家饭的“罐子”
为保证整个微型生态系统的顺利搭建，让种子、昆虫卵在里面安家落户，设计一个符合各种严苛条件的科普载荷装置就成了整个实验的关键。经过近三年的设计攻关，最终，一个高21厘米，直径17厘米，净容积0.8升的圆柱形特殊铝合金“罐子”展现在我们的眼前。
“这个小小的自主控温密封设备虽然总重量只有3公斤，但麻雀虽小五脏俱全。机、电、热、通信、控制等系统都有，就是一个小的航天器。”谢更新教授向我们揭秘了其中的“乾坤”：“它有40多个总部件，由结构模块、控制模块、热控模块、生物模块、导光模块等构成，为微型生态系统提供了生物生长的光、热、水、土壤等必要条件，还安装有主、副两个照相机，以记录动植物生长情况。”
为给生物营造一个适宜生存的环境，技术团队想尽办法完善载荷的各方面细节。他们让“罐子”外“穿”保暖衣，以经受月表面剧烈温差的考验;内部则装上了能自动调节温度的“空调系统”，使环境温度适中保持在25摄氏度左右。植物可通过载荷顶部盖板上的光导管吸收月面自然光，进行光合作用产生氧气。水仓室里的电磁泵可将20ml生物专用水通过水管释放到生物舱表面，为生物生长提供水分。
由于没有现成的经验可借鉴，在设计生产过程中，团队曾遭遇过多次突发性技术难题，经历了几次“归零”危机。在一次低温存储试验时，设备在持续低温8小时以后就开始漏气。团队反复开会讨论、验证解决方案，结果各种“堵漏”均以失败告终。“不行就从密封材料上找突破口，一定要把问题找出来！”谢更新教授争分夺秒地与和团队开会讨论，转变思路寻找替换新材料。找到突破口后，团队成员连夜携带设备赶赴西安，和密封圈研制专家沟通，重新选材，协调生产单位立即开模、在现场跟产……不到三天，密封圈就完成了生产，经严格试验验证，完全满足探测器总体的漏率指标。
设备研制及试验工作完成后，载荷在送往西昌卫星发射基地组装时又出现了新的问题。西昌海拔高、氣压低，82千帕的气压和重庆的气压（99千帕）环境有所不同。“气压的微小差异不一定影响植物生长，但科学研究是非常严谨的，再小的问题，我们都能不放过。”团队成员张元勋说。
时间紧急，自然条件又不能改变，这可怎么办？大家急中生智，先把载荷运到临近的成都组装好，再连夜运回西昌。从成都到西昌一路颠簸，他们就用海绵与冰冻的矿泉水细心包裹设备，仿佛在护送襁褓中的婴儿一般。抵达西昌基地后，团队几人立刻开始测试设备，直到凌晨两点多，所有数据正常，大家悬着的心这才放下。
为做出最科学的“罐子”，团队先后赴15省、50余家企事业单位进行技术交流，对其进行了50余次结构优化，100余项实验验证，近百次评审汇报及评估，才得以完美收官。也难怪谢更新教授感慨：“它是吃着百家饭，集众人之力长大的。”
2018年12月8日凌晨，科普载荷随着嫦娥四号顺利升空，整个团队既振奋又紧张。“看着自己投入近三年精力的科普载荷顺利升空，真像牵挂出嫁的女儿一样，又高兴又不舍。”参与科普载荷生物模块任务的邱丹兴奋地说。
2019年1月7日上午10点左右，随嫦娥四号登陆月球背面的生物科普试验载荷传回试验照片。
画面中，一株绿色的植物嫩芽从土里冒出了头。
这是人类在月球上种出的第一株绿叶植物，
也宣示了重庆大学牵头研制的“生物科普试验载荷”项目获得成功。
重庆大学的“生物科普试验载荷”项目，是在嫦娥四号面向全国征集“月球探测载荷创意设计征集活动”的近300份作品中脱颖而出的，并于2016年底被最终确定为搭载项目之一。这既是人类首次在月球背面进行生物生长实验，也是人类首次在月面尝试以较高等生物构建太空生态系统。
从2019年1月3日23：18，嫦娥四号登陆月球第一天生物科普试验开始，到1月12日20：03：34载荷断电关机，生物科普实验按计划顺利完成，部分指标甚至超过预期。“以前科学家在空间站以及其他航天器上开展过多次生物试验，但月球上还从未有过。”教育部深空探测联合研究中心副主任、生物科普试验载荷总设计师、重庆大学先进技术研究院院长谢更新教授表示，团队通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下动植物的生长发育状态，已初步实现人类首次月面生物试验，大量珍贵的第一手数据，将对人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。
6名“旅客”
有幸享受本次太空旅行的6名“旅客”，是马铃薯、油菜、棉花、拟南芥、果蝇、酵母。其中，植物生产氧气和食物，供所有生物“消费”;作为消费者的果蝇和分解者的酵母，通过消耗氧气产生二氧化碳，供植物进行光合作用。在此过程中，酵母可以靠分解植物和果蝇废弃物生长，又可以作为果蝇的食物。如此循环往复，一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统就此形成。
看似简单的6种生物，却是经历上百次物种筛选，无数次生物实验后胜出的“佼佼者”。首要条件是“个子小”，因为进行生物科普试验的空间有限，里面的动植物不能占用过多空间。其次，由于月球表面低重力、强辐射、高温差等极端条件限制，符合条件的动植物必须耐高温、耐冻，还要能抗辐射和抗干扰。为此，重庆大学生命科学学院太空生物学研究团队课题组历经两年，从云南深山悬崖到新疆沙漠地区，找遍各种能在极端条件下生存的生物物种，挑选了上百种植物进行实验、筛选。
土豆和拟南芥被确定后，团队从生物的多样性上考虑，又扩大了参与实验的植物范围。根据罐内资源变化进行数百次试验后，棉花种子最先发芽，接着发芽的是油菜种子，它们因此获得了珍贵的入选机会。
太空生物学团队负责人告诉我们，在生物种类的筛选过程中，除了要实现在月球表面环境下植物种子发芽和幼虫成长的最低目标，还要基于未来进一步开展太空生物学研究的长远考量，以为将来人类进入月球乃至地外星球生存提供保障。
粮、棉、油是人类赖以生存的最基本需求，“马铃薯是大家熟悉的食物，很有可能是以后太空里的主食。我们这次选择的土豆是特别培育的小个子品种。油菜则是太空食物中不可或缺的油料保障。”值得一提的是，本次入选的棉花种子是低酚棉，俗称“无毒棉”。“因抗虫害需要，目前在地球上普遍使用的是高酚棉品种，在对月表面生态环境进行充分研究后，我们发现，在地球上不适用的低酚棉，却能很好地适应太空环境。”团队成员向我们介绍道。“好邻居”拟南芥、果蝇、酵母，则因其作为全球科学家研究生物的模式物种，生长周期短，能够在短时间内展示完整的生命过程而得以入选，便于研究生物生长发育和代谢规律。
为进一步凸显本次生物科普试验载荷的科研和科普价值，项目组同时开展了地、月对比实验，包括同一个生态系统（密闭空间）在地球、月球不同条件下以及在地面自然条件下（开放空间）的生长发育情况对比。
2019年1月3日晚23：50分，地面试验载荷与月表载荷同步注水，对照试验正式开始。1月12日，地面对照实验罐体内已陆续发现棉花、油菜种子萌发，且长势良好，可观察到嫩绿的子叶。开放环境下，可见油菜、棉花和马铃薯种子萌芽，幼苗呈茂盛生长趋势。
“这是全人类第一次在月球上做生物实验，并且成功地长出了绿色植物。虽然这次实验的时间只有212.75小时，但我们拿到了大量的珍贵的第一手数据，为以后研究打下了基础。”重庆大学副校长、科普载荷项目总指挥刘汉龙说。
在月面进行9天的发芽和生长实验后，生物科普试验载荷进入断电状态。在月夜温度零下52℃的情况下，载荷内部所携带的六种生物结束了本次科普试验使命，处于冷冻状态。待下一个月昼期温度上升后，这六种生物会被慢慢分解成无害的有机物，并将永久封存在生物科普试验载荷内。
吃百家饭的“罐子”
为保证整个微型生态系统的顺利搭建，让种子、昆虫卵在里面安家落户，设计一个符合各种严苛条件的科普载荷装置就成了整个实验的关键。经过近三年的设计攻关，最终，一个高21厘米，直径17厘米，净容积0.8升的圆柱形特殊铝合金“罐子”展现在我们的眼前。
“这个小小的自主控温密封设备虽然总重量只有3公斤，但麻雀虽小五脏俱全。机、电、热、通信、控制等系统都有，就是一个小的航天器。”谢更新教授向我们揭秘了其中的“乾坤”：“它有40多个总部件，由结构模块、控制模块、热控模块、生物模块、导光模块等构成，为微型生态系统提供了生物生长的光、热、水、土壤等必要条件，还安装有主、副两个照相机，以记录动植物生长情况。”
为给生物营造一个适宜生存的环境，技术团队想尽办法完善载荷的各方面细节。他们让“罐子”外“穿”保暖衣，以经受月表面剧烈温差的考验;内部则装上了能自动调节温度的“空调系统”，使环境温度适中保持在25摄氏度左右。植物可通过载荷顶部盖板上的光导管吸收月面自然光，进行光合作用产生氧气。水仓室里的电磁泵可将20ml生物专用水通过水管释放到生物舱表面，为生物生长提供水分。
由于没有现成的经验可借鉴，在设计生产过程中，团队曾遭遇过多次突发性技术难题，经历了几次“归零”危机。在一次低温存储试验时，设备在持续低温8小时以后就开始漏气。团队反复开会讨论、验证解决方案，结果各种“堵漏”均以失败告终。“不行就从密封材料上找突破口，一定要把问题找出来！”谢更新教授争分夺秒地与和团队开会讨论，转变思路寻找替换新材料。找到突破口后，团队成员连夜携带设备赶赴西安，和密封圈研制专家沟通，重新选材，协调生产单位立即开模、在现场跟产……不到三天，密封圈就完成了生产，经严格试验验证，完全满足探测器总体的漏率指标。
设备研制及试验工作完成后，载荷在送往西昌卫星发射基地组装时又出现了新的问题。西昌海拔高、氣压低，82千帕的气压和重庆的气压（99千帕）环境有所不同。“气压的微小差异不一定影响植物生长，但科学研究是非常严谨的，再小的问题，我们都能不放过。”团队成员张元勋说。
时间紧急，自然条件又不能改变，这可怎么办？大家急中生智，先把载荷运到临近的成都组装好，再连夜运回西昌。从成都到西昌一路颠簸，他们就用海绵与冰冻的矿泉水细心包裹设备，仿佛在护送襁褓中的婴儿一般。抵达西昌基地后，团队几人立刻开始测试设备，直到凌晨两点多，所有数据正常，大家悬着的心这才放下。
为做出最科学的“罐子”，团队先后赴15省、50余家企事业单位进行技术交流，对其进行了50余次结构优化，100余项实验验证，近百次评审汇报及评估，才得以完美收官。也难怪谢更新教授感慨：“它是吃着百家饭，集众人之力长大的。”
2018年12月8日凌晨，科普载荷随着嫦娥四号顺利升空，整个团队既振奋又紧张。“看着自己投入近三年精力的科普载荷顺利升空，真像牵挂出嫁的女儿一样，又高兴又不舍。”参与科普载荷生物模块任务的邱丹兴奋地说。