圖為1月3日在北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥四號探測器展開太陽翼(示意圖)。新華社記者 金立旺 攝

人類首次在月面的生物生長培育試驗(yàn)成功，棉花種子成為人類在月球上種植出的第一株植物嫩芽。

據(jù)“嫦娥四號”生物科普試驗(yàn)載荷項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)布消息，隨“嫦娥四號”登陸月球背面的生物科普試驗(yàn)載荷中，棉花種子成功發(fā)芽。

在月球進(jìn)行生物生長試驗(yàn)面臨哪些困難?完成登月使命的“神秘旅客”又是怎樣被挑選出來的?為何六種生物中棉花會首先發(fā)芽?針對大眾關(guān)心的話題，科學(xué)家們進(jìn)行了解答。

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哪些“神秘旅客”

隨嫦娥四號登上月球？

由重慶大學(xué)牽頭的嫦娥四號生物科普試驗(yàn)載荷內(nèi)搭載了棉花、油菜、土豆、擬南芥、酵母和果蠅六種生物，均放置于密封的生物科普試驗(yàn)載荷罐內(nèi)。

嫦娥四號為何會帶上這六名“旅客”?據(jù)教育部深空探測聯(lián)合研究中心副主任、生物科普試驗(yàn)載荷總設(shè)計(jì)師、重慶大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院院長謝更新教授介紹，由于科普載荷里面的生物空間不足1升，容量和資源非常有限，因此對生物種類的篩選非常重要。除了要實(shí)現(xiàn)在月球表面環(huán)境下植物種子發(fā)芽或幼蟲成長的科普目標(biāo)，也要有利于未來進(jìn)一步開展太空生物學(xué)研究。

“搭載的6種生物看似簡單，卻是我們數(shù)百次試驗(yàn)選擇的結(jié)果。”謝更新介紹。

篩選本次搭載的生物物種首要條件就是“個(gè)子小”。其次，由于月球表面低重力、強(qiáng)輻射、高溫差等極端條件限制，還要求動(dòng)植物能耐高溫、耐凍，而且能抗輻射和抗干擾。所以團(tuán)隊(duì)從云南深山到新疆沙漠地區(qū)，到處尋找能夠在極端條件下生存的生物物種，挑選了上百種植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、篩選。在選擇的過程中，我們還曾考慮過烏龜、蜜蜂、蚯蚓等物種，后來因?yàn)楹难趿勘容^大等原因放棄了。

最終我們從糧、棉、油等人類賴以生存的最基本需求方向出發(fā)，選擇了馬鈴薯、棉花、油菜等種子。其中馬鈴薯是大家熟悉的食物，很可能是以后在太空中的主食;油菜作為重要的油料作物，是太空食物中不可或缺的油料保障。擬南芥、果蠅、酵母是全球科學(xué)家研究生物的模式物種，它們因生長周期短，能夠在短時(shí)間內(nèi)展示完整的生命過程而入選。

這6位“神秘旅客”，分別扮演著生產(chǎn)者、分解者、消費(fèi)者的角色，從而形成一個(gè)簡單的微型生態(tài)系統(tǒng)。

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為何棉花首先發(fā)芽？

“它本身適應(yīng)高溫發(fā)芽”

載荷罐在登陸月球后第一天1月3日23時(shí)18分加電開機(jī)，開始進(jìn)入生物月面生長發(fā)育模式。

1月12日20時(shí)，隨嫦娥四號登陸月球背面的生物科普試驗(yàn)載荷罐傳回最后一張?jiān)囼?yàn)照片，顯示罐內(nèi)生長出的棉花種子嫩芽長勢良好。

1月12日20時(shí)03分34秒地面發(fā)送了生物科普試驗(yàn)載荷斷電指令，載荷正常關(guān)機(jī)。生物科普試驗(yàn)載荷內(nèi)部在月夜溫度為-52℃的情況下，所攜帶的6種生物將結(jié)束本次科普試驗(yàn)使命，處于冷凍狀態(tài)。

據(jù)介紹，截至試驗(yàn)結(jié)束前，未從傳回?cái)?shù)據(jù)中觀測到其它生物生長狀況。

棉花為何會首先發(fā)芽?對此，重慶大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授邱丹表示：“棉花它本身適應(yīng)高溫發(fā)芽，棉花種植就在夏季，不懼怕高溫。棉花首先發(fā)芽也是預(yù)料之中。”

謝更新則說：“種子在月球上發(fā)芽，無疑是在月球上進(jìn)行生物生長試驗(yàn)的標(biāo)志性事件。在選擇植物種子的時(shí)候，我們會考慮它們發(fā)芽的溫度，比如棉花適合在高溫(超過30℃)的情況下發(fā)芽;油菜、馬鈴薯則是在20℃左右的低溫發(fā)芽。因?yàn)椴磺宄虑虮砻娴木唧w溫度變化，所以從生物的多樣性上考慮，我們選擇低溫和高溫發(fā)芽的物種都試一試。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，科普載荷罐體內(nèi)開機(jī)后，維持了五六天的30℃，因此此次發(fā)芽的是適合高溫發(fā)芽的棉花種子。它成功地完成了在月球發(fā)芽的任務(wù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究效果，研究團(tuán)隊(duì)在地面同步進(jìn)行了1∶1封閉環(huán)境和開放環(huán)境下的對照試驗(yàn)。封閉環(huán)境試驗(yàn)即在相同條件下與科普載荷同步注水，全程與科普載荷傳回的溫度等數(shù)據(jù)環(huán)境保持一致，進(jìn)行試驗(yàn)。

截至1月12日，地面對照試驗(yàn)罐體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)棉花種子萌芽，長勢良好，可觀察到嫩綠的葉子。開放環(huán)境下的地面試驗(yàn)情況顯示，油菜、棉花和馬鈴薯種子均已萌芽，幼苗呈茂盛生長趨勢。

謝更新介紹，這個(gè)項(xiàng)目的意義在于，一是激發(fā)大家的探索精神和創(chuàng)新精神;二是目前搜集的大量溫度、壓力等等實(shí)測數(shù)據(jù)，以及項(xiàng)目模式，可為人類今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

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種子在月球上如何喚醒？

棉花發(fā)芽突破五大難題

月球上的重力只有地球的六分之一，晝夜間大約有300攝氏度的溫差。來自地球的種子要在發(fā)射場待兩個(gè)月，太空飛行需要一個(gè)月，種子在路上要怎么保存，到了月球上又要怎么喚醒?

此次試驗(yàn)突破了生物休眠、“旅途”顛簸、放水控制、密封控制、月面采光五大難題。謝更新介紹，針對長期-57℃低溫微弱漏氣現(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)分析、密封材料性能優(yōu)化等多種方法予以解決;為了使科普載荷能夠在-60℃到-80℃的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的適宜生物生存的溫度，通過20多次熱方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化，最終確定了由半導(dǎo)體制冷器、電加熱器、散熱片及隔熱措施相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)科普載荷內(nèi)部智能化溫度控制。

為了解月球上光合作用情況，通過在罐上開孔用光導(dǎo)管引入日光的方式，讓罐內(nèi)的生物接受照射。并通過多次試驗(yàn)，對導(dǎo)管的方位和角度進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，避免了月塵對光導(dǎo)管的封堵。

對于放水時(shí)間的把控，項(xiàng)目設(shè)計(jì)水倉室攜帶了一個(gè)裝有18毫升生物專用水的水袋和電磁泵，并對水管口用新型溶劑封口，確保在月球上才會讓水釋放到生物艙表面，為生物生長提供水分。

謝更新說，此次試驗(yàn)?zāi)玫搅舜罅空滟F的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過研究生物在月球低重力、強(qiáng)輻射、自然光照條件下動(dòng)植物的生長發(fā)育狀態(tài)，為人類今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。下一步，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)進(jìn)行研究探索。