月壤研究有多重要?将来能在月亮上“种菜”吗?(组图)

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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。



嫦娥六号拍摄的月球背面影像(微信公众号“中国的航天”)

月球上含有丰富的氦-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,但现在普遍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,月球可以利用的资源有限,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。



国际月球科研站(微信公众号“中国的航天”)

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,包括可以节约成本、抵御辐射以及防止陨石撞击等。

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什么样的影响?

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,因为没有了海水,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无法忍受,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),就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。

观察者网:您刚才提到了“空间运动病”,这是一种什么样的症状?

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,我们也知道自己在转圈。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,我们都能感受到这种速度的变化。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,所以你就能感受到速度的变化。

然而,在太空中是没有重力的,航天员的前庭系统就可能出现问题。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,甚至出现呕吐症状。这状态跟我们地面上晕车有点像,因此可以幽默一点,把这种情况叫作“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可以确定上方和下方,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,但它与载人航天有什么样的关系?

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、湿度等环境因素都会改变。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,作息安排没有那么规律,所有这些因素都会导致航天员的生物钟出现紊乱。但到现在,还没有人知道为什么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,至于演变成什么样子,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,其他地方要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比较明显,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,以及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,可以增加土壤蓬松度,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,生菜仍然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。由于没有重力,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景?没有接受过训练的普通人可以畅游太空吗?

郭金虎:现在航天已经逐渐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。太空旅行对身体素质当然是有一定要求的,但不需要像航天员那样强的身体素质。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,但乘客不需要考虑开车的问题。

游客在太空停留的时间一般不会很长,游客只要能够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什么样的意义?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,然后才逐渐降低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,也增加安全性并提高工作效率。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,人类依然没有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,这意味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。这些卫星也可能产生与地球不同的生命形式,但我们还没有看到这样的证据。

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?对这些过程的研究可以用于探索地外生命。反过来推导也是一样的,对于地球生命的诞生问题,我们还没有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。



《走出地球的生命》,郭金虎 著,上海科技教育出版社2024年1月出版

 

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