8.3 人与绿藻息息相关

下一个问题显然是:这种与外界流动隔绝的玻璃瓶,到底要多大、里面要装些什么样的活物,才能保障人在里面生存?

当人类的冒失鬼们冒险穿越地球大气这个柔软的瓶壁的时候,上述的学术问题就具备了现实意义。你能通过保证植物持续存活,来让人类在太空里像虾在生态球里一样持续存活吗?你能把人也封闭在一个受到日光照射、有充足的活物的瓶子里,让他们相互利用彼此的呼吸吗?这是一个值得动手去探寻的问题。

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小学生都知道,动物消耗植物产出的氧气和食物,植物则消耗动物产出的二氧化碳和养料。这是一个美好的镜像:一方生产另一方所需要的东西,就好象虾和水藻那样,彼此服务。也许,可以按照植物和哺乳动物对等的要求,以一种正确的方式把它们搭配在一起,它们就能够相互扶持。也许,人也能在一个封闭的容器里找到适合自己的生物体化身。

第一个足够疯狂来做这个尝试性实验的人,是一名莫斯科生物医学问题研究所的俄罗斯研究员。在对太空研究热火朝天的头些年里,叶夫根尼·舍甫列夫[1]于1961年焊了一个铁匣子,匣子的大小足以把他还有8加仑的绿藻装进去。舍甫列夫的精心计算表明,8加仑的小球藻在钠灯的照射下可以产生足够一个人使用的氧气,而一个人也可以呼出足够8加仑的小球藻使用的二氧化碳。方程的两边可以相互抵消成为一体。所以,从理论上说,应该是行得通的,至少纸面上是平衡的,在黑板上的演算也非常完美。

但在这个气密的铁仓里,情况却全然不同。你不能凭理论呼吸。假如绿藻发育不良,那天才的舍甫列夫也得跟着倒霉;反之,如果舍甫列夫玩完了,那绿藻也活不下去。换句话说,在这个匣子里,这两个物种几乎是完全共栖的关系,它们自身的生存完全依赖对方的存在,而不再依赖外部那个由整个星球担当、以海洋、空气以及各种大小生物构成的巨大的保障网络。被封闭在这个舱里的人和水藻,实际上已经脱离了由其他生命编织起来的宽广网络,形成一个分离的、封闭的系统。正是出于对科学的信念,干练的舍甫列夫爬进了舱室并封上了门。

绿藻和人坚持了整整一天。在大约24个小时的时间中,人吸入绿藻呼出的气息,绿藻吸入人呼出的气息。之后腐败的空气把舍甫列夫赶了出来。在这一天临近结束的时候,最初由绿藻提供的氧气浓度迅速降低。在最后一刻,当舍甫列夫打破密封门爬出来的时候,他的同事们都被他的小屋里的那令人反胃的恶臭惊呆了。二氧化碳和氧气倒是交换得颇为和谐,但是绿藻和舍甫列夫排出的其他气体,比如甲烷、氢化硫以及氨气,却逐渐污染了空气。就好象寓言中那个被慢慢烧开的水煮熟的快乐青蛙,舍甫列夫自己并没有注意到这种恶臭。

舍甫列夫带有冒险色彩的工作,受到了远在北西伯利亚的一个秘密实验室中的其他苏联研究人员的严肃对待,后者继续做了舍甫列夫的工作。舍甫列夫自己的小组能够让狗和老鼠在绿藻系统中生存最长7天。他们不知道,大约在同一时间,美国空军航空医学学院把一只猴子关进了由绿藻制造的大气里50个小时。在此之后,舍甫列夫他们把一桶8加仑的小球藻放在一个更大密封室里,并且调节了绿藻的养料以及光线的强度,创造了一个人在这个气密室里生存30天的记录!在这个特别持久的过程中,研究人员发现绿藻和人的呼出物并不完全相称。要想保持大气的平衡,还需要使用化学滤剂去除过量的二氧化碳。不过,让科学家们感到鼓舞的是,臭臭的甲烷的含量,在12天之后就稳定下来了。

到了1972年,也就是十多年之后,这个苏联的研究团队,在约瑟夫·吉特尔森的带领下,建立了能够支撑人类生存的第三版小型生物栖息地。俄国人管它叫生物圈3号。它的里面很拥挤,仅可供三人生存。4个小气密室里装进了好几桶无土栽培的植物,用氙气灯照射。盒装的人在这些小房间里种植、收获那些俄罗斯出产的作物——土豆、小麦、甜菜、胡萝卜、甘蓝、水萝卜、洋葱和小茴香。他们的食物一半来自这些收获的作物,包括用小麦做出的面包。在这个拥挤、闷热的密封暖房里,人和植物相依为命共同生活长达6个月之久。

这个匣子其实还不是完全密封的。它密封的空气倒是没有气体交换,但它只能再循环95%的水。苏联科学家事先在里面存储了一半的食物(肉类和蛋白质)。另外,生物圈3号不能对人类的排泄物或者厨房垃圾进行回收;生物圈3号的住客只得把这些东西从匣子里排放出去,这样也就排出了某些微量元素和碳。

为了避免所有的碳都在循环中流失,居民把死掉的植物中那些不能吃的烧掉一部分,把它变成二氧化碳和灰烬。几个星期里房间就积累了不少微量气体,源头各有不同:植物、建材还有居民自己。这些气体有些是有毒的,而当时的人们还不知道如何回收这种气体,于是,只好用催化炉把这些东西「烧」掉。

当然,NASA对在太空为人类提供食物和住所也非常感兴趣。1977年,他们发起了一个持续至今的计划:受控生态生命保障系统[2]。NASA采用的是简约式的方法:寻找能够生产出人类消耗所必需的氧气、蛋白质以及维他命的最简单的生命形式。事实上,正是在摆弄这些基本系统的过程中,身为NASA一员的曹恒信偶然发现了虽然有趣但在NASA眼中并不是特别有用的虾/藻搭配。

1986年,NASA启动了面包板计划[3]。这个计划的目的是在更大的范围内实现那些在桌面上获得的试验结果。面包板计划的管理人找到一个「水星号」宇宙飞船[4]遗留下来的废弃的圆筒。这个巨大的管状容器,曾经用作安在「水星号」火箭顶尖上的小型太空舱的压力测试室。NASA给这个双层结构的圆柱体外面添加了通风和给排水管道系统,把里面改装成带有灯具、植物和循环养料架的瓶装住宅。

与苏联的生物圈3号试验的办法一样,面包板计划利用更高等的植物来平衡大气、提供食物。一个人一天能勉强下咽的绿藻实在有限,而且,就算一个人只吃绿藻,小球藻每天能为人类提供的养分也只达到人类所需的十分之一。正是这个原因,NASA的研究人员才放弃了绿藻系统而转向那些不仅能清洁空气,而且还能提供食物的植物。

看起来每个人都不约而同想到了超密集栽培。超密集栽培能够提供真正能吃的东西,比如说小麦。而其中最可行的装置,就是各种水培装置,也就是把水溶性的养料通过雾、泡沫的形式传输给植株,或者用薄膜滴灌的方式给那些遮盖了塑料支撑架的莴笋之类的绿叶植物输送养分。这种精心设计的管道装置在狭窄的空间生产出密集的植物。犹他州大学的弗兰克·索尔兹巴利[5]找到了不少精确控制的办法,把小麦生长所需的光照、湿度、温度、二氧化碳含量以及养料等控制在最佳状态,将春小麦的种植密度扩大了100倍。根据野外试验的结果,索尔兹巴利估算出在月球基地之类的封闭环境下每一平方米超密集播种的小麦能够产出多少卡路里。他的结论是,「一个美式橄榄球场大小的月球农场能够供养100名月球城居民」。

100个人就靠一个足球场大小的蔬菜农场过活!这不就是杰弗逊的那个农业理想国的愿景吗!你可以想象一下,一个近邻的星球聚居着无数带有超大圆顶的村庄。每一个村庄都可以为自己生产食物、水、空气、人以及文化。

然而,NASA在创造封闭的生存系统方面给许多人的感觉是,过于小心谨慎、速度缓慢得令人窒息,而且简约到了令人无法容忍的程度。事实上,NASA这个「受控生态生命保障系统」可以用一个很贴切的词来形容:「受控」。

而我们需要的,却是一点点的「失控」。

叶夫根尼·舍甫列夫(Evgenii Shepelev):第一位在封闭的生命系统内中生活的人类。构成该系统生物再生部分的只有小球藻。

受控生态生命保障系统:CELSS, Controlled Ecological Life Support System

面包板计划:Breadboard Project

「水星号」:是美国的第一代载人飞船,总共进行了25次飞行试验,其中6次是载人飞行试验。「水星号」飞船计划始于1958年10月,结束于1963年5月,历时4年8个月。

弗兰克·索尔兹巴利(Frank Salisbury):1955年获加州理工学院植物生理学/地球化学博士学位,先后在波摩纳学院、科罗拉多州州立大学任教,1966年到犹他州州立大学农业学院担任新建立的植物科学系主任直至退休。研究范围包括开花生理学、雪下植物生长、受控环境下的植物生长(以向宇航员提供食物和氧气)以及植物对地心引力的反应等。