太空中的生物圈

　　当航天员置身毫无生机的太空，太空舱就是他赖以生存的整个世界。在那狭小的空间中，他所拥有的食物、氧气和水都是极为有限的。随着人类探索太空的脚步不断迈进，太空航程不断延长，逐渐需要以年为单位来计量。传统的携带式和物理化学再生式生命保障系统，似乎已经难以支持更加长时间、远距离的太空任务。
　　＂月宫一号＂实验
　　所以，在太空这无垠的＂生命荒漠＂上， 我们该如何打造一片生生不息的绿洲？
　　目前最可靠的答案是：生物循环再生。循环让有限的资源可以得到近乎无限的利用，正如地球上相对稀薄的氧气因物质循环的存在，四亿年中持续滋养着万物生长，倘若在太空舱中打造一个动态平衡的生命循环系统，它将在更加漫长的太空飞行中稳定保障航天员的生存需求。
　　生物再生生命保障系统（BLSS）是载人深空探测的十大关键技术之一，由于其较高的复杂度与难度，亟需深入系统开展研究。在我国载人深空探测的战略背景下，北京航空航天大学的刘红教授带领团队建立了＂月宫一号＂空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置。这是一个植物、动物、微生物共存的人工闭合生态系统，实验期间与外界隔绝物质交换，而是在系统内循环再生航天员太空生活所必需的食物、氧气和水，为航天员提供类似地球生物圈的生命保障。
　　这种继携带式、物化再生式生命保障系统之后的第三代生命保障系统，具有包括但不限于以下3个显著优势。
　　首先，它能够保证人类在特殊环境下的密闭空间内长期自给自足，而不用一次性携带所需的全部食物、水和氧气。目前，＂月宫一号＂已经成功进行了两次大型实验。一次是2014年1—5月的＂月宫105＂实验——这是我国首次长期高闭合度集成实验。3名志愿者在基地的密闭环境中生活105天，期间自行栽培并食用5种粮食（小麦、大豆等）、15种蔬菜（菠菜、黄瓜、油麦菜等）和1种水果（草莓），饲养黄粉虫以提供一部分动物食物，培养微生物来降解生活垃圾并用作肥料。另一次是2017—2018年进行的＂月宫365＂实验，志愿者种植了35种作物，实现了蔬菜、水果和粮食的自给自足，培养并食用了黄粉虫、蘑菇，用微生物循环再生利用有机废物，创造了4名志愿者在密闭空间生活370天的纪录，成为世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统集成实验。两次实验的成果表明，生物再生生命循环系统具备对航天员提供长期生命保障的潜力。
　　刘红教授给北航附小的学生进行科普讲解
　　其次，生物再生生命循环系统为人类提供了更加新鲜的食物来源。人类早期探索太空，包括我国神舟系列飞船，通常需要一次性携带全部食物。因此，食物必须具备质量轻、体积小、保质期长等特征，航天员只能吃罐头或者用＂挤牙膏＂的方式吃各类压缩食品，其口味和新鲜程度均无法保障。后来出现了复水食品，即通过加水使食物恢复原本状态，一定程度上提升了航天食品的口感；继而又出现太空厨房，冷冻冷藏食品进入太空舱，航天员可以自行加热储藏的食物……随后，保鲜技术的提升带来了更加丰富可口的自然型食物，即未经处理的较为新鲜的食物。但随着更加漫长的太空任务的到来，为航天员提供源源不断的新鲜食物来源逐渐成为重中之重。＂月宫一号＂中包含两个58平方米左右、三层立体栽培的植物舱和一个42平方米的综合舱，其中囊括了植物栽培系统和动物饲养系统。＂月宫一号＂的一次次实验，正是希望把＂月宫一号＂这样的小型生态系统带到未来的太空舱中，让航天员吃到自己栽培的粮食、蔬菜和水果，甚至是饲养的动物。其实，此举不仅能提供更高品质的食物来源，还可以通过植物的光合作用产生氧气，通过其蒸腾作用获得纯净安全的饮用水。
　　＂月宫一号＂实验种植的蔬菜
　　最后，生活垃圾在生物循环系统中不断再生，利用率大大提升，废物产生率大大降低，极大地节约了太空舱内有限的资源及空间。诸如在＂月宫365＂实验中，氧气和水的再生率为100%，而食物的再生率也达到了83%。其中循环主要包括三方面：空气、水和固体废弃物，在＂月宫一号＂中也分别对应着空气循环与净化系统、水再生循环系统和固体废弃物处理系统。
　　其中，空气循环与净化系统主要过程为航天员呼出二氧化碳、微生物将固定碳分解为二氧化碳，二氧化碳被植物用于光合作用，光合作用为航天员提供氧气。而水循环主要是航天员的尿液经过生物预处理和低压蒸馏进行储存，航天员的厨余和洗浴废水经过膜—生物活性炭反应器处理进入中水箱储存，植物蒸腾的水分也通过冷凝储存下来。这些储存的水源可直接用于浇灌植物，或通过净水箱再次为航天员生活所用。
　　固体废弃物系统中，作物的秸秆、蔬菜的根和老叶、败叶等不可食用部分，可用于饲养动物（如黄粉虫）为航天员提供蛋白质营养，还可通过发酵用作肥料栽培植物，为航天员所食用。航天员的排泄物也可通过发酵形成富含二氧化碳的气体，被植物光合作用所吸收。
　　这3个主要系统各自形成闭环，又能彼此交织，相辅相成。＂月宫105＂实验是世界上首次实现的＂人-植物-动物-微生物＂四环系统。在＂月宫365＂实验中，复杂的四生物链环 BLSS系统，实现了98%的系统闭合度、100%的氧气和水再生与83%的食物再生。相信，未来更加复杂精密的四生物链环系统，将模拟更加真实的＂生物圈＂，达到更长时间的生态平衡与生命保障。
　　国际上也有类似于＂月宫一号＂的生物再生生命保障系统，例如俄罗斯的BIOS-3系统和美国的月球-火星生命保障测试系统（LMLSTP）。在实验中总结出的BLSS的系统理论，包括但不限于：空间环境对生物和人工生态系统的影响、人工生态系统中的物质循环和能量流动以及生物单元之间的关系。同时，在＂月宫一号＂的实验中，还有机加入了航天员心理状态方面的调节研究，为封闭隔离造成的心理影响以及乘员之间互动的研究提供了极高价值的参考数据。
　　BBLS的发展路线分为地基和天基两方面研究。构建地基BLSS综合实验系统、完成地基长期有人密闭生存实验，对于BLSS的发展具有里程碑意义，标志着具有在地面环境下密闭空间生物循环再生保障人员长期生存的技术能力。为了进行空间应用，刘红教授团队的研究工作重点正在从地基实验转到天基实验，希望通过空间站、月球/火星探测器的科学载荷实验，获取矫正参数和模型，从而将地面环境下大型系统实验研究取得的技术参数矫正，最终达到BLSS在轨道站和月球、火星等星球基地的空间应用。
　　采编 | 厉海川、倪妮
　　受访专家 刘红
　　排版 萝卜娟
　　审核 | 六朵 苍翼蝴蝶 淡定珠子
　　文章来源于《科研成果与传播》杂志
　　图片由刘红团队提供
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