對話郭金虎：月壤研究有多重要？空間站都能種菜，月亮上行不行？

嫦娥六號已完成人類首次月球背面的月壤取樣。這是嫦娥六號最受公眾關注的任務，月壤研究有多重要？能為將來的國際月球科研站，提供“種菜”的資源嗎？

同時，我國還有三位航天員葉光富、李聰、李廣蘇在“天宮”空間站工作，5月28日，神舟十八號航天員乘組完成了第一次出艙活動。不同於地面，軌道上的空間站處於失重環境之中，從2021年6月至今，我國也已積累了一些在太空長期生活的經驗。地面和空間站的生活有哪些差異？失重環境對航天員的身體健康有着怎樣的影響？航天醫學的發展能以什麼樣的形式造福地面？

對於這一系列問題，觀察者網與研究空間環境裏生物節律的學者、《走出地球的生命》一書作者、中山大學生命科學學院郭金虎教授進行了對話。

**觀察者網：**自嫦娥五號帶回月球土壤以來，網友們常常調侃要在月球上“種菜”，這次嫦娥六號將採集更多月球土壤。開發月球土壤真的可能嗎？

**郭金虎：**月球土壤跟地球土壤差別很大。我在書《走出地球的生命》中寫到過一點。地球土壤是在大氣、水和生物共同作用下產生的，土壤中含有有機質、無機質和水，也含有很多微生物。月球沒有大氣，月表直接暴露在太陽輻射和微隕石的轟擊之下，月壤不含有機質，極度缺水乾燥，形成過程沒有生物活動參與，組成月壤的礦物粉末基本是由隕石撞擊破碎形成的。因此，想用地球土壤“冒充”月壤，幾乎是不可能的。

阿波羅登月計劃的6次任務，一共從月球正面的6個不同地點採集了月壤樣品並帶回。蘇聯的三次“月球號”任務採回300克左右的月壤樣品；中國“嫦娥五號”帶回1731克月壤樣品。科學家們對月球土壤做過一些實驗，結果是，月壤無法直接用於栽種，但是如果把月壤作為補充的營養物添加到地球土壤裏，則會起到促進植物生長的作用。在含月壤成分的培養基上培育的甘藍、藻類、蕨類和苔蘚等植物表現出了更為旺盛的生長活力。當然，月壤是不是真的能用於“種菜”，還有待更多的實驗。

嫦娥六號拍攝的月球背面影像（微信公眾號“中國的航天”）

月球上含有豐富的氦-3，可以用在未來的核聚變技術上，與核裂變相比，核聚變技術具有清潔、高效的形勢。月球氦-3的存量是地球的200萬倍，這可能是目前在開發月球資源方面最為吸引人的地方。但是，月球上的氦-3多數都包裹在鈦鐵礦裏，需要高温才能熔出，所以提煉過程需要消耗很多的能量。如果能克服這一難題，那麼開發月球資源就又可以朝前邁進一大步。接下來，就需要考慮如何把能源傳輸到地球的難題了。但這一領域不是我的研究方向，我對這方面的瞭解不是很多。

**觀察者網：**在今年的中國航天日上，中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁表示，國際月球科研站計劃在2035年前建成基本型，人類在月球表面的長期活動似乎已不再遙可不及。未來人們是否有可能在月球表面建成定居點，進一步開發月球？

**郭金虎：**人類在月球建立基地是遲早的事，但現在普遍認為月球似乎並不是一個適合長期定居的星球，而是作為深空探測或者前往火星的中轉站，這倒是和科幻小説《太空漫遊：2001》不謀而合。除了開採工作之外，月球可以利用的資源有限，土壤也不適合耕作，定居的成本和代價很大。

比如説登陸月球不僅要面對微重力、輻射、能源等問題，還要面對月壤和月塵。月塵具有毒性、黏性、腐蝕性和很強的穿透力，當無人航天器着陸和巡視時，從月表揚起的月塵，會覆蓋在航天器的傳感器表面，或者落在儀器和機械運動機構的縫隙裏，對工程的實施構成安全威脅。

月球表面的重力僅是地球重力的1/6，而且月壤顆粒的電磁特性發生了改變，因此月壤的黏附力很強。航天員出艙進行科學考察時，全身極易粘滿月壤和月塵顆粒。這些月壤顆粒雖然微細，卻像刀尖一樣鋭利，很可能給航天員的安全帶來重大威脅。月塵顆粒上有很多尖鈎和尖刺，如果進入艙內，被吸入人體，會嚴重損害呼吸系統。

最近太陽活動很劇烈，地球上許多地方都出現了極光。太陽噴發的帶電粒子會直接衝擊地球磁場，對軌道上的空間站和月球也都會造成威脅。

國際月球科研站（微信公眾號“中國的航天”）

開發火星也比人們想象得要困難很多。火星質量小，空氣非常稀薄，也沒有地磁場，人類必須穿着宇航服才能在火星表面活動，植物在這種環境下難以生存。所以現在一般認為，在火星上只能在巨大的玻璃罩裏構建出類似地球環境的生態系統，或者乾脆在地下生活。無論是月球還是火星，因地制宜地在已有的熔岩管裏構建居所將有很多便利之處，包括可以節約成本、抵禦輻射以及防止隕石撞擊等。

**觀察者網：**將來載人登月，路上可能還只是在太空“小住”，但如果奔赴火星，就要像現在“天宮”裏的宇航員那樣待上幾個月了。航天員在失重環境中工作和生活，這樣的環境對他們的身體健康有什麼樣的影響？

**郭金虎：**失重環境對人的影響是全方面的。地球上所有生物都是生長在有重力的環境裏，已經適應了這種環境，很難在沒有重力的環境中生活。

舉個例子，鯨魚在海灘上擱淺後很快就會死亡，因為沒有了海水，它無法支撐自己的體重。對於鯨魚來説，相當於海水的浮力抵消了一部分的重力，擱淺就像是來到了“重力增加”的環境。對於人類來説，進入太空就像是“抽掉”了重力，是很難適應的。

長時間生活在失重環境中，人會面臨骨質疏鬆、肌肉萎縮、“空間運動病”等問題，在太空中鍛鍊往往只能起到緩解的作用。航天員，尤其是長期在軌的航天員，回到地面之後是需要康復一段時間的。美國雙胞胎實驗計劃的參與者斯科特·凱利（Scott Kelly）在他的書裏寫到過，他從太空回到地球后，身體每個部位都在疼痛，和家人聚會吃飯的時候也痛得無法忍受，只能回到卧室躺下。可見失重對人的影響是非常大的。

除了肌肉和骨骼外，失重對心血管系統影響也很大。我們站在地面上，血液主要流向下肢，站立時間久了可能會引起靜脈曲張。但在低重力的太空中，血液會流向頭部和胸部。所以我們會在新聞中看到，航天員在太空中臉部浮腫，這被稱為“月亮臉”（moon face），就是因為血液湧向了頭部。血液湧到頭部可能還會影響視力，對眼球的形狀和結構、視網膜甚至視神經產生影響，導致視力下降。

中國航天員科研訓練中心會對航天員的生理、心理、行為、工作效率等問題進行系統性的研究，以保障航天員的健康與工作效率。在生物節律等方面，航天員也會使用一些設備來監測健康狀況。

**觀察者網：**您剛才提到了“空間運動病”，這是一種什麼樣的症狀？

郭金虎：“空間運動病”主要是對平衡感以及本體感覺的影響。比如我們在地面上原地轉一圈，即使把我們的眼睛蒙起來，我們也知道自己在轉圈。在加速或減速移動的時候，或者在坐車時加速或剎車的時候，我們都能感受到這種速度的變化。還有一些人前庭系統不太好，對速度、方向的變化太敏感，就有可能暈車。

人體的內耳中有一種叫耳石的器官，汽車急剎車的時候，人已經停住了，但耳石會因為慣性繼續向前移動，這就會刺激毛細胞纖毛併產生神經信號，所以你就能感受到速度的變化。

然而，在太空中是沒有重力的，航天員的前庭系統就可能出現問題。也就是説，由於太空中沒有重力，重力對耳石的影響幾乎消失，那麼你對位置、速度變化的感知就會出現極大的偏差。第一個出現空間運動病症狀的是蘇聯航天員季托夫，1961年他乘“東方2號”飛船進入軌道後，他感覺自己腳朝上、頭向下地倒懸着，還感覺自己在倒着飛。然後又感覺頭在晃動，他因此頭暈目眩，甚至出現嘔吐症狀。這狀態跟我們地面上暈車有點像，因此可以幽默一點，把這種情況叫作“暈飛船”。

我們常説的“空間運動病”主要指的就是方向感、平衡感以及本體感覺到影響，這會影響航天員的許多行為，甚至影響他們的工作效率。在地面，我們根據物體下落的方向可以確定上方和下方，但在空間站裏是沒有重力的，就不能通過這種辦法確定上下。實際上，在空間站裏並不存在客觀的上下方位，而是為了生活和工作方便人為標定的，在這種環境裏，航天員睡覺時可以平躺、直立，或者採用倒立的姿勢睡覺，都不會感到有什麼區別。

以前美國的統計數據顯示，空間站的航天員服用最多的藥物就是用於改善“空間運動病”的影響，排在第二名的藥物則是改善睡眠。一般而言，多數航天員的空間運動病會在進入太空一段時間後消失，但也會在後續的時間裏突然復發，而且目前尚未發現其中的規律。

**觀察者網：**您的研究方向是生物鐘，我們很多人都聽説過生物鐘與日常作息有關，但它與載人航天有什麼樣的關係？

**郭金虎：**地球的自轉週期大約是24小時，有白天和黑夜，光照、温度、濕度等環境因素都會改變。生物生存需要適應環境，不僅要適應高山、海洋等空間的特徵，還要適應時間的變化。就像在沙漠裏，生物不能只適應白天干旱高温，也要適應沙漠夜晚的環境。

生物鐘是經過長期進化產生的，是很多生物適應環境晝夜變化的內在機制。比如人的體温，在傍晚時最高，凌晨時最低，有明顯的晝夜節律，相差1℃左右。人的血壓、花朵綻放、蔬菜分泌抗蟲物質等等，都有晝夜節律，受生物鐘影響。

太空的環境和地面不一樣，太空是失重環境，光照變化週期也和地面不一樣。比如中國空間站每90分鐘繞地球一圈，每天繞地球飛行16圈，這90分鐘就是空間站晝夜交替的週期。空間站還存在噪音問題，噪音可能在50-60分貝左右甚至更高。在這樣的情況下，人的睡眠、生物節律其實都會受到很大的影響。航天員本身也很忙，作息安排沒有那麼規律，所有這些因素都會導致航天員的生物鐘出現紊亂。但到現在，還沒有人知道為什麼人的生物鐘在太空中會發生這樣的變化。

5月28日，神舟十八號航天員乘組完成第一次出艙活動（中國載人航天工程辦公室）

幾十年前，對太空環境下的生命科學研究主要是美國、蘇聯進行的，歐洲一些國家也有參與。國際上會把猴子、老鼠或者更加低等的生物送到太空，觀察它們的生物節律變化。我國相關研究大約是在近20年前開始的。但到目前為止，各國對於空間環境下生物鐘的變化規律研究還不是很系統，很多問題還不清楚。相比於其他領域，對生物鐘的研究還是比較少的。

生物鐘是歷經億萬年的歲月演化而來的，它賦予了我們適應地球晝夜環境（具有24小時的光照和温度變化週期）的能力，但也使得我們難以適應空間以及其他星球的晝夜環境。比如空間站一晝夜只有90分鐘，月球大概是30天，火星一晝夜倒是跟地球比較接近，但仍然多出約40分鐘。以後我們在月球基地和火星基地生活、種植作物、飼養動物，得依賴人工光照調節晝夜節律，否則哪怕只部分受到火星環境的影響，都可能對作物的生長和收成帶來不利影響。

當然，最終當人類攜帶其他生物在月球、火星上長期生活後，人類及其他生物也會開始改變，去適應那裏的環境。這是一個漫長的演化過程，至於演變成什麼樣子，只有未來才可能知曉。

**觀察者網：**在十幾天的“奔月”或幾個月的“奔火”過程中，生物鐘又會怎麼變化？

**郭金虎：**月亮很容易讓人失眠，比如讓一千年前的蘇軾失眠，大半夜去承天寺找張懷民一起夜遊。不僅古人想去月球，現代人也很渴望，這一點甚至在音樂上也有體現，張雨生有首歌就叫《帶我去月球》，國外有首好聽的爵士樂叫Fly me to the moon。

在地球上，一些神秘主義者認為月球會影響人的很多生理活動，包括生物鐘和睡眠，但這方面的證據並不充分。比較可信的是，月球以及月球引起的潮汐對海洋魚類的生殖行為影響非常明顯。

當我們離開大地飛向月球，所面臨的環境和地面上差異非常大。站在荒蕪的月球上，地球彷彿成了藍色的月球，浮在空中。月球上除了南北極外，其他地方要28天才完成黑夜、白天的輪轉，這和地面的24小時週期很不一樣。月球表面的輻射很強，重力只有地球表面的1/6，這些因素對人的節律具有怎樣的影響還缺乏系統性的研究。

但是，我們不妨來看看參加阿波羅計劃的美國航天員的説法。阿波羅7號和8號任務的航天員節律紊亂比較明顯，阿波羅9號和10號任務對航天員作息進行了調整，睡眠有所改善。阿波羅11號任務裏，航天員完成了登月，在月球上停留了21.6小時，在月球上行走的阿姆斯特朗和奧爾德林的睡眠都不好，原因包括持續的強烈陽光照射、航天服帶來的不適，以及來自地面指揮部的密集指令等。

此外，人類首次登月給他們帶來的榮譽感和興奮感等心理因素，可能也是干擾他們睡眠的原因。

迄今為止，人類還沒有踏上前往火星的征程，所以節律在火星上如何變化還不清楚。但是，也有人做了一些模擬火星環境的實驗，例如在鳳凰號火星車任務期間，地面操控人員每天並不是按照地球自轉的24小時週期作息的，而是按照火星的晝夜週期——火星一晝夜為24小時39分鐘。這項研究的結果發現，即使只相差約四十分鐘，工作人員的節律和睡眠也難以適應。

我們曾經對一名在模擬火星週期下生活了一個月的志願者進行研究，發現火星週期可能會影響人的節律和情緒，不過由於這次研究只有一名志願者，所以還需要後續更多實驗的驗證。

**觀察者網：**那與人類相比，其他生物在失重環境中會不會表現得更加“強悍”？中國空間站進行了哪些有趣的生命科學實驗？

**郭金虎：**跟人類相比，微生物總體而言更“強悍”，生存能力更強。但在真空環境裏，它們也難以生存。現在所知能在真空環境裏存活的少數生物中，有一種叫水熊蟲。歐洲空間局曾開展過一項研究，在258—281千米高的低軌道空間的10天時間裏，把脱水的成年水熊蟲暴露在空間的真空環境下，結果水熊蟲仍然能夠存活，並且返回地面後存活率也沒有明顯降低。

另外還有耐輻射奇球菌，它可以抵禦極度的脱水、寒冷、真空、強酸、營養缺乏等嚴苛環境，對輻射也有超強耐受力，它是目前已知抵禦極端環境的能力最強的，被“吉尼斯世界紀錄”收錄，還被譽為“世界上最頑強的細菌”。

在空間站裏，環境沒這麼極端，微生物和人類生活在一起。但微生物在太空中的生存狀況是很難預測的，可能會具備更強的生存能力，也可能弱化，並不是所有生物都能夠慢慢適應太空的生存環境。當然，為了保證航天員的健康，對微生物的處理肯定是要慎重的。特別是航天員在軌時間長了，會出現免疫力下降，這時候就容易“小病變大病”（“阿波羅7號”的幾位航天員就曾經被疾病折磨得疲憊不堪，這種疾病在地球上只能算是小毛病的感冒）。

去年，神州十六號航天員乘組在中國空間站進行科學實驗（中國載人航天工程辦公室）

在其他方面，中國空間站也進行了不少生命科學實驗，比如植物種子的太空栽培、對幹細胞在太空生長的研究，還有包括失重環境對肌肉和骨骼影響的研究。説點有趣的，也是我在書中寫到的，比如航天員景海鵬曾展示過在空間站裏養蠶，這是香港中學生提出的一個研究項目，目的是探究蠶在空間環境下生長、發育的變化。景海鵬發現，與在地面時的情況相比，這些生長在太空裏的蠶寶寶長得不是很健壯，也不太愛活動。

“天宮二號”中嘗試了種菜，不過是實驗性質的，沒有吃。在神舟十四號任務中，航天員也在空間站種植擬南芥、水稻和生菜等植物，還品嚐了他們自己種植的生菜。種植生菜用的基質不是土壤，而是蛭石。我們在家裏養花也經常會用到蛭石，它具有自重輕、透氣和保水等特點，可以增加土壤蓬鬆度，而且具有調節土壤酸鹼平衡的功效，常與泥炭、珍珠岩等進行搭配使用。

培養生菜的培養箱並不是從地面帶上去的，而是在天上採用3D打印技術打印出來的。儘管沒有了重力，生菜仍然保持着向光生長的特性，並且生長得似乎比在地面上要高一些。由於沒有重力，所以不能像在地面上那樣澆水，而是將水注入生菜根部的蛭石裏。

**觀察者網：**隨着載人航天技術的進步，商業太空飛行的話題愈發火熱，海外一些公司正積極推進將遊客送入亞軌道的商業飛行任務。在您看來，未來的商業航天飛行具有怎樣的發展前景？沒有接受過訓練的普通人可以暢遊太空嗎？

**郭金虎：**現在航天已經逐漸成為大家習以為常的話題了，技術越來越成熟，風險也不斷地降低，將來肯定會有更成熟的商業航天飛行。太空旅行對身體素質當然是有一定要求的，但不需要像航天員那樣強的身體素質。就像長途客車的司機與乘客，一般人沒辦法駕駛客車爬山路，但乘客不需要考慮開車的問題。

遊客在太空停留的時間一般不會很長，遊客只要能夠承受住火箭發射時的加速度，在出發之前接受適應失重環境的訓練，回到地面之後進行一些康復訓練就可以了。

**觀察者網：**航天醫學關注眾多跟航天員醫療健康有關的方面，這對我們在地面生活的人們有什麼樣的意義？航天醫學的研究成果會如何造福地面？

**郭金虎：**當然會有促進技術進步的作用。對於航天事業，有一種説法叫“天為地用，地為天用”。地面的研究是為了支持人類進入太空，在太空的很多研究是為了造福地面。比如説，我們剛才提到，太空會對航天員的心血管系統造成影響，會引起骨質疏鬆和肌肉萎縮，但地面上也有很多這樣的病人。在太空中的研究如果取得了進展，有助於推動地面的醫學進步。再如，改善航天員的感知、提高他們的工作效率的研究成果，對於地面相關人羣的疾病治療同樣有益。

反過來，地上的研究成果能幫助天上的航天員。例如我們前面説到的空間運動病，在地球上有多人也遭受着眩暈或者平衡感障礙的痛苦，針對這些患者進行研究，取得的成果會推動空間運動病的研究進展。

其實，現在生活中很多事物都受益於航天。例如數碼相機的發展、方便麪的蔬菜包，甚至尿不濕，都與航天息息相關。一些技術最早是用在航天上的，在航天方面有了突破，然後才逐漸降低成本在民用領域推廣。

再舉一個例子，在沒有重力的情況下，人在身體放鬆時的姿態稱為中性身體姿態模式，這種姿態較為放鬆，不容易疲勞。20世紀80年代，NASA曾經對“天空實驗室”空間站的12名航天員進行了微重力環境下的動作和姿態數據採集，獲得了中性身體姿態數據，用來指導設計和製造符合人體工程學的航天設備，既提高設備操作的舒適性，使航天員不易疲勞，也增加安全性並提高工作效率。後來基於這種理念，中性身體姿態數據也被應用在汽車的座椅設計上，提高了駕乘的舒適感與安全性。

**觀察者網：**時至今日，人類依然沒有發現地外生命存在的證據。在太陽系中，木星和土星擁有地下海洋的冰衞星被視為潛在的“生命搖籃”，美國國家航空航天局和歐洲航天局均已計劃向這些衞星發射探測器。在您看來，對地外生命的探測面臨哪些難題？這對我們探究地球生命的演化有什麼意義？

**郭金虎：**到目前為止，還沒有地外生命存在的直接證據。2022年，日本“隼鳥2號”探測器從小行星“龍宮”帶回來的土壤樣本里，科學家發現了氨基酸。氨基酸是生命組成的重要部分，這意味着宇宙中可能有其他生命存在。但這是非常間接的證據，有氨基酸也不代表就一定能形成生命，只能説是像搭積木的時候手中有積木一樣。

木星和土星的冰衞星的確擁有地下海洋，但它們也有着不利於生命存在的因素。它們的環境極為嚴酷，温度極低，且多為甲烷海洋。這些衞星也可能產生與地球不同的生命形式，但我們還沒有看到這樣的證據。

現在人們對地外生命的探索，很大程度上是基於對地球生命的認識。地球早期生命是如何誕生的？有機小分子是怎麼變成有機大分子的？對這些過程的研究可以用於探索地外生命。反過來推導也是一樣的，對於地球生命的誕生問題，我們還沒有那麼完整的科學鏈條。如果我們在其他星球發現了處於原始、低級狀態的生命，我們可以反過來推演地球生命的起源。

美國“卡西尼”號探測器拍攝的土衞二圖像。去年，科學家發現土衞二冰下海洋中包含構成生命的全部六種基本元素（NASA）

郭金虎，中山大學生命科學學院教授、博導。中國宇航學會航天醫學工程與空間生物學專業委員會委員、中國細胞生物學學會生物節律分會副會長，曾任中國空間科學學會空間生命起源與進化專業委員會副主任委員。主持臨港實驗室—中國航天員中心人因工程國家級重點實驗室“求索太空腦計劃”項目、錢學森實驗室太空探索培育項目等。

《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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