构建月面人工生态系统，保障人类长期驻月生存
构建月面人工生态系统，保障人类长期驻月生存
数千年前的古人畅想着月亮上的“月宫”，数千年后的我们即将让这理想化为现实。
探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。随着我国月球探测事业的不断推进，未来的月球表面不仅将留下中国人的足迹，还将出现中国人自己的“月宫”，实现航天员在月面的长期驻留。基于生态系统原理构建的生物再生生命保障系统，能够循环再生航天员所需的氧气、水、食物等生存物资，将成为“月宫”的核心系统之一。
图1 北京航空航天大学“月宫一号”团队提出的载人月球基地概念图
人类的历史是不断探索未知的历史，但是不断扩大的探索范围也同时挑战着人类生命保障的极限。如今，世界多国陆续提出了载人月球探测乃至人类长期驻留月球的规划。而地月之间距离遥远，物资输送成本极大，只有尽可能原位生产人类生存所需的氧气、水、食物，才能保证人在月面实现长期生存。
基于此，生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System, BLSS）应运而生。基于地球生物圈的运行原理，通过构建“人-植物-动物-微生物”四个生物链环组成的生命保障系统，实现人生存所需物资的原位再生循环（图1）。由于BLSS的系统闭合度高，外界物资需求少，因此被认为是最适合应用于月球基地的生命保障系统。
在BLSS的各个生物链环中（图1）：
人链环是BLSS的组成核心，BLSS的气体、水和食物循环都围绕着“满足人的生存需求”这一核心目标构建。
植物链环由高等植物组成，其作用包括提供植物性食物、吸收系统内的CO2并释放O2、通过蒸腾作用生产净水、调节人的身心健康状态等。植物链环运行状态的好坏直接决定BLSS能否稳定运行。
动物链环在现阶段由可食用昆虫组成，主要作用是将植物的不可食部分转化为可食用的动物蛋白，提供动物性食物。此外，动物的新陈代谢作用在产生CO2的同时消耗O2，有助于维护系统内气体平衡。
微生物链环由降解功能微生物和益生功能微生物组成，前者的主要作用为降解植物的不可食部分和人、动物产生的粪便以维护系统内的气体平衡，净化人产生的汗液、尿液和生活废水以实现水循环；后者的主要作用为维护植物链环的稳定运行（植物益生菌），保护人的身心健康（肠道益生菌、精神益生菌等）。
位于北京航空航天大学的“月宫一号”是BLSS的代表之一，其于2018年完成了“月宫365”实验，实现了系统连续运行370天的世界纪录。在系统运行期间，“人-植物-动物-微生物”四生物链环间匹配稳定，植物生产的效率完全满足了乘员对植物性食物的需求，系统闭合度达到98.2%，系统内O2、CO2和微量有害气体浓度水平均控制在人体健康和植物培养的适宜范围内，系统整体显示了较强的鲁棒性，在不同基础代谢水平的乘组的换班、能源动力的短时中断等扰动下，系统能够通过自反馈调整，快速将扰动的影响降至最低并逐步恢复稳定状态。此外，在370天的密闭任务隔离期间，乘员既没有表现出行为障碍，也没有表现出明显的心理困扰。通过对数据的综合分析，发现高等植物培养和人类肠道菌群可能是发挥重要身心健康保障的潜在重要因素。
综上所述， BLSS系统具备了满足人长期密闭生存的理论和技术基础，未来可应用于人类在月球的长期驻留生存保障。
总结与展望
在沉寂了半个多世纪后，月球正重新成为世界各国竞相角逐的舞台。BLSS基于生态学原理，构建“人-植物-动物-微生物”四生物循环链，原位循环再生人类生存所需物资，最大限度的减少地面补给，是建设月球基地的重要生命保障技术。如今BLSS在地面完成了长期载人密闭实验，取得了丰富的成果，积累了大量的数据。未来，BLSS将融合月面资源利用、月面环境生物学效应、月面建造工程等前沿领域，因地制宜，排除挑战，为中国人提供“月宫家园”。
本文原文来自The Innovation