要說我們中國人有什麼民族天賦？種菜絕對是其中一個。
無論是陽臺、天台還是南極、太空，中國人都能憑藉著勤勞的雙手和先進的科學技術，種出一片鬱鬱蔥蔥。
隨著人類對月球的探索越來越多，
擁有種菜天賦的中國人尤其關注那個懸於天際被呼作“白玉盤”，離我們地球最近的外星球上能開展農業種植嗎？
2015年，美國航天局（NASA）在400公里高度的國際空間站裡培育出了宇宙空間裡的第一朵百日菊。那麼，如果在38萬公里之遙的月球上去做這個生命實驗，植物能不能長出來呢？其實中國的科學家們已經開始嘗試了。
2019年1月3日上午10點26分，中國嫦娥四號月球探測完成了人類航天史上的一項壯舉——成功軟著陸在月球背面的南極-艾特肯盆地馮･卡門撞擊坑，在月球背面留下了中國探月的第一行足跡，揭開了古老月球背面的神秘面紗。
“嫦娥四號” 還搭載有一項科普載荷——
“月面微型生態圈”，期望在荒涼月表上培育生命。
大家好！我是來自重慶大學的謝更新，今天想向大家分享一下“月球上的第一片綠葉”的故事。
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到月球上種菜有多難
月球是不適合生命生存的。月球夜晚的溫度在-200℃以下，白天超過120℃，沒有空氣，還有高能粒子和太陽風，這些都是不適合生命生存的因素。
國際上有很多團隊想去月球做一次生命實驗。
在2013年，NASA就宣佈計劃於2015年到月球上種菜並創造歷史。在2017年出版的《人類2。0》一書中，科學記者皮埃羅∙斯加魯菲採訪了全球15位頂級科學家，其中太空生物採訪了NASA的首席科學家麥克。這位科學家認為，他的理想就是帶部相機、帶個罐子、帶些水、帶些種子去月球上做實驗，再把照片傳下來，他說這將“簡直棒極了”。
但是一直到現在，我們都沒看到國際上的其他國家在月球上種出了東西，沒有看到他們的相關報道。
現在我們國家強大了，有了做這個實驗的機遇。
在2015年，國家拿出嫦娥四號珍貴的3公斤載荷，來向全球徵集方案。
最終，我們團隊提出的“月面微型生態圈科普載荷”從257個方案中脫穎而出。
我們試圖在月球上構建一個由生產者、消費者和微生物組成的生態系統來進行培植實驗。
左：嫦娥三號，右：嫦娥四號。
嫦娥四號是嫦娥三號的備份，前者的生產、設計、狀態都跟後者一模一樣。
2013年，我國成功發射嫦娥三號，它攜帶月球車玉兔號著陸到月球上，這使我國成為世界上第三個軟著陸月球的國家。這也意味著嫦娥四號在2013年就已經全部做完了，它的位置、空間全部都已佈置完成。我們只能見縫插針地用僅有的3公斤重量、在200×200×200毫米的小空間做這個實驗。
不像美國能在空間站這一龐然大物上做實驗，我們的實驗空間非常狹小，整個空氣佔據的空間有0。82升，生物生長的空間是0。42升。當時著陸器的底板上已經擺不下任何東西了，
所以我們所有的器材都只能掛在著陸器的天花板上。
而且我們的空氣不能透過增壓來壓縮，因為沒有其他的機構讓我們增壓。只有兩個控制訊號，就是放水和拍照，因為嫦娥四號還要做很多其他的需要控制訊號的實驗。
物理溫度控制。
在月球上做生物實驗，需要把溫度控制在-10～40℃，如果低於-10℃或高於40℃，種子都會死掉。
因為沒有多餘的重量，所以我們不能帶壓縮機或空調過去。更不能帶化學制冷劑，這違反了國際上有關行星保護的政策。我們只能用物理的散熱片、熱管、熱泵進行熱量平衡和交換，所以挑戰非常大。
捕捉太陽自然光進入罐子。
萬物生長靠太陽，月球上一個白晝是14×24小時，所以陽光非常充足。但是我們的罐子很小，如果進入太多陽光的話，溫度就難以控制。經過計算，如果既要控制溫度，又能夠滿足光合作用的話，需要8毫米直徑的陽光進入量。於是我們留了一點餘地，用10毫米直徑的光導管把陽光引進罐子內。
也許有人會說，直接使用白熾燈光或人造光就可以了呀？但是我們認為，好不容易到月球做實驗，一定要利用月球的原位資源。
此外，嫦娥四號有可能會落在一個斜坡上或者是一個石塊上，這樣我們將面臨最惡劣的情況：
陽光只能從30°的位置切進去。大家可以想象得到，這個角度進入的陽光會是很少的。
還有一個困難是，嫦娥四號落在月球背面的時候，它揚起的灰塵有10米多高。
我們在地面做實驗時，灰塵會降落到光導管上面，把光導管全部蓋住。為了解決這個問題，我們把光導管做成中間高、四周低的形狀，然後在光導管表面塗上一層我們研製的塗料，避免月塵粘上去。
精準控制放水（18g）。
水是生命之源，而月球上是沒有任何液態水的。而且我們要對攜帶的水進行精準控制：水不能帶太多，汪洋大海是長不出東西的；不能帶太少，要滿足植物發芽的需求。經過精確計算，我們必須帶18克水上月球。水也是我們這個實驗的開關，一澆水實驗隨即啟動。
大家知道，發射的時候力學條件非常惡劣。我們在地面做實驗時，一經力學振動，水就灑出來了。此外，月球重力是地球的1/6，在這低重力的條件下，水可能放不出來。為此，我們加了一個水泵。同時，
為了防止水撒出來，我們研製了一種溶劑把水管堵住。
只有達到月球上的某個溫度時，這個溶劑會溶化，水才能夠流出來。
生物固定和靜置。
除此之外還有其他的難點，比如生物固定。
在空間站裡，生物固定主要是用紗布或絲網固定包裹，生物可以包得很緊，因為會有人來干預它，只要用手把它解開就可以了。月球上沒有人，如果包得太緊，種子發芽的時候就會衝不出來；而包得太鬆的話，發射的時候就會變成一盤散沙。我們找不到平衡點，於是想了一個辦法：用水溶棉作為固定材料，而到月球上水一澆下去，水溶棉就會溶化。
靜置也是一個難點。
種子只能在月球上發芽，如果它在地面發芽或者死掉，實驗就失敗了，因此我們必須精準控制它的發芽時間。這個植物艙需要在西昌擺2個月，飛行要飛1個月，要知道西昌的溫度是特別適合發芽的。在這3個月我們不能動它，不能做任何控制，我們既要它不死也不能生長，也要它安全。
高溼度高能粒子照相。
還有一個難點就是照相。
實驗在月球上是否成功，全靠相機傳回的照片為證。相機必須有備份，一個壞了另一個補上。我們不可能像航天一樣做幾十公斤或幾公斤的相機，我們的兩個相機的總重量只能分配不超過60克。這兩個共重60克的相機既要抗高溫、抗低溫、抗輻射，還要抗高溼度，可想而知，難度與挑戰性是很高的。
9天實驗時間。
此外，在月球上面做生物實驗，不像拍照或是探測那樣短時間就做完了。
生命要有可以觀測到的現象變化，至少要幾天甚至幾十天，但我們的時間最多隻有9天。為什麼是9天呢？因為月球的一個白晝是14天，但是嫦娥四號不可能在月球上白晝的第1天就著陸，為什麼？因為溫度太低，陽光太少，所以要等月面的溫度比較柔和的時候才能夠著陸。
嫦娥四號於2019年1月3日10點26分著陸，那時太陽高度是36°多一點。
嫦娥四號也不可能很晚才關機，它必須在太陽下山之前就關機。
因為在太陽下山之前，溫度會急劇下降，這樣儀器就控制不了了。所以我們只有9個地球日的時間。值得高興的是，我們爭分奪秒，在8天22個小時45分鐘的時間內完成了實驗。
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誰是月球生物實驗的“主角”？
物種的選擇也非常的重要。
前面我們提到微型生態圈必須包括植物、動物和微生物。對於植物而言，我們首先考慮的是將來航天員到月球上吃什麼、穿什麼、用什麼，因此選擇的物種必須是生活必需品；這些物種還必須具備抗高溫、抗低溫、抗逆性等能力；此外，不同種子發芽所需的溫度不同，比如棉花是在高溫下才發芽的植物。而我們不清楚著陸器什麼時候著陸、什麼時候做實驗，所以被選擇的種子的發芽溫度要錯開。
我們對於動物的選擇也很講究。
我們從上百種動物裡面挑選了幾種動物，首先選的是烏龜，因為烏龜有一個殼，所以它在發射的時候可以保護自己，而且烏龜還不喜歡運動。此外，烏龜還有一個很好的寓意，即龜兔賽跑：當小玉兔停在月球上時，就讓烏龜爬上去。不過，雖然烏龜不好動，但它還是需要呼吸的。它在休眠的時候，只用不到20天的時間，就會把容器裡面的氧氣全部吸乾。而著陸器要經過3個月才能抵達月球，所以烏龜還沒到月球就會死掉，我們無法用它做實驗。
我們還選擇了蠶作為實驗物件，蠶也是一個寓意很吉祥的物種，是絲綢之路的象徵，代表中國的強大。但是蠶很嬌嫩，它的生長適宜溫度是20～27℃，如果溫度太高或太低它都會不吃不喝。為了解決這一問題，我們帶上了一塊電池，藉此為它保溫、調溫。
但是在2018年2月進行獨立評估的時候，正好出現了三星Note7爆炸的事件，很多專家擔心電池帶到天上有可能會爆炸。所以我們只有忍痛割愛，把蠶去掉，把電池也拔掉。這個時候我們所剩的時間不多了，無法再做其他的設計，於是我們就選擇了一個生物學的模式動物——果蠅。
最後，我們選定上圖的六個物種搭配在月球上做實驗，形成一個微型生態系統。
左：結構示意圖，右：安裝位置示意圖
這就是我們最終設計的“月球載荷生物試驗”罐子，它高198毫米，直徑173毫米，重量2.608公斤。
為什麼只有2。608公斤呢？因為不能帶電池上月球，而我們又沒有時間去做其他設計了，所以剩下的那非常珍貴的300多克就沒用上。大家可以看到右圖上的紅圈，它倒掛在著陸器天花板上做實驗，雖然搖搖晃晃，但是有這個空間就已經不錯了。
載荷裝置內部結構圖。
這是內部結構圖，在月球上，光直接從光導管進入裝置內，我們就在生物板上0。42升的生物成長空間來做實驗，底下的是控制板等，旁邊黑色的是散熱片。我們透過散熱片進行物理散熱，在外面100多℃的情況下，讓裝置內部的溫度保持在20多℃。
生物載荷團隊。
這是我們團隊在西昌上發射塔之前（2018年10月5日）拍的照片，我是研究環境生態的，而我們團隊內還有研究環境、機械、結構、生物、通訊、控制等領域的學者，是一個跨學科的團隊。
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月球第一片綠葉誕生
2019年1月3日10點26分，嫦娥四號落在了月球上。由於嫦娥四號總體要做很多實驗、檢測等，所以到了晚上23點18分，總體才告訴我們可以做實驗了。於是我們馬上就進行加電、拍照，這兩者是同時觸發的。
2019年1月3日23點18分。
大家看到拍下來的第一張照片後鬆了一口氣，因為沒有出現很多專家所擔心的鬱鬱蔥蔥或枯枝敗葉的情況，
我們拍下的照片跟地面的一模一樣。
我們測到的氣壓是1。04個大氣壓，也就是說這3個月幾乎沒有漏氣的情況。而且當時外面的溫度已有100多℃了，但裝置裡面只有30。6℃。所以只要種子不死，水能夠放出來，實驗就有可能成功。
2019年1月3日23點48分。
半個小時後，總體給我們指令說可以放水了，我們就把18克水一次性放完。大家可以看到，板子上像水珠一樣的東西就是我們研製的溶劑，它只有在月球上才能溶化。
2019年1月4日21點43分。
上圖圓圈圈出的黃色的光就是月球上的太陽光，這說明光也進來了。
既然有光、有水、有空氣，溫度也合適，那麼只要種子不壞，我們實驗就有可能成功。這是2019年1月4日拍的照片，大家可以看到照片中有個小綠點。但那時我們不敢說種子已經發芽了，因為我們擔心這個綠點可能不是種子發芽了，也可能是一個螺絲釘掉下來了發黴了，或者是一個腐敗的種子。
2019年1月5日08點54分。
2019年1月5日，種子一點點長大了，這時我們有一點興奮了。
2019年1月7日09點56分。
直到1月7日，我們看到種子長出了一片葉子，我們便確定實驗成功了。
我們向國家總體作了報告，再由總體跟航天局彙報。2019年1月7日晚上大概8點左右，航天局局長帶了一批人到我們工位上檢視，大家確認種子發芽了，所以就向全球公佈了這張照片。
我們還在地面上還做了一個同步實驗，這個同步實驗在1月7日才看到芽點，所以種子在月球上比在地球上早發芽將近3天。
棉花種子發芽
大家看看1月7日的這個葉片有什麼不同？它的根不是往土裡扎的，是橫著生長的；而且葉子不是展開的，它像包菜一樣包起來了。
這就是說在月球環境下，葉片的形態和生長機理髮生了一些變化。
月球生物實驗引起國際轟動。
實驗成功後，2019年1月13日，中央電視臺向全球釋出了這個訊息，引起了國際轟動。Nature 稱這個實驗是“first time ever”，Science 則說它是“in a first for humankind”。人類的第一次月球生物實驗由中國人實現了。2019年10月，我受法國航天機構邀請去做了個報告，我查了一下國際上有5720萬條新聞，不是點選量。
這個實驗取得了成功，我們和各位肯定對月球的下一步、對人類地外生存的下一步有很多暢想。
比如，未來我們可以在月球上建花園，讓航天員呼吸到由光合作用產生的氧氣。我們也許要在月球建食物工廠、建農場，吃我們在月球上種的食物。最終建立我們自己的月球基地。
隨著科學技術的發展，人類正在不停地拓展地外生存空間。
我們可以一起努力，一起暢想！謝謝大家！
文章來源：
瞭望智庫
