听说月壤不能种菜？别急，它还可以进行地外光合作用

      还记得嫦娥五号探月的时候吗？探测器成功着陆并带回了月球的土特产——月壤，这可引发了全民的关注。

月壤样本

图片来源：中国科学院地质与地球物理研究所

不过出人意料的是，大量网民的关注点竟然是“月壤能种菜吗？”。可见咱们的种菜基因那是植入了民族的血脉中，种菜，必须是第一步的。

经过科学家们对月壤的初步解读，得出的结论是：月壤不能种菜。因为月壤不含有任何有机养分，而且非常干燥。这就让很多网友非常失望了，种菜计划遭受重大打击！

月壤不能种菜…

图片来源：央视新闻截图

然而，在最近的研究中，科学家们却意外发现了月壤的新用途：月壤可以用于地外光合作用！众所周知，地球上的植物能够存活，并为我们源源不断地提供氧气和有机物，靠的就是光合作用。要是月壤能进行地外光合作用，岂不是……？？？

我们来看看到底是怎么回事吧。

不能种菜但是能催化啊！

当嫦娥五号带着1731克月壤返回后，这些月壤迅速分配到了我国的各大科研机构，大家都根据自己的科研特长对月壤开展了相应研究。

其中，南京大学的邹志刚院士团队也分到了一些月壤。邹院士主要从事能源与环境材料方面的研究，所以他们对于月壤的解读也是从材料和能源角度出发。

研究人员首先对月壤进行了基础判断，确定月壤的主要来源是月球表面的玄武岩。这种岩石富含铁和钛等元素，这些元素在我们生活中也非常常见，汽车、手机等等产品都含有铁和钛。不过，对于材料学家们来说，这些材料用途就更多了，比如催化剂。催化剂能降低化学反应条件，加快反应速率，因此在化工、生物等领域应用广泛。

随后，他们采用机器学习结合传统分析的办法，对月壤的成分进行了反复分析，确定月壤含有20多种矿物，包括钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石等诸多重要的人工光合作用催化剂。而且发现月壤本身有不少微孔结构，这种结构也能进一步提高月壤的催化效果。

月壤的成分

图片来源：参考文献[1]

在月球上准备光合材料

到了这里，咱们就要简单地回顾一下光合作用了。

光合作用，通常是指含有叶绿体的生物吸收光能，把二氧化碳和水转化成为有机物并释放氧气的过程。

光合作用过程示意图

图片来源：

那么，我们能利用月壤在月球上替代植物进行光合作用制造氧气吗？科研结果告诉我们：一定程度上是可行的。

首先是光。作为太阳系的一员，月球自然是可以接收到光的。我们大家晚上看到的明月就是阳光照射到月球后被月球再反射到地球的结果。

其次是水。在嫦娥五号带回月壤后，我国科学家就通过“月球矿物光谱分析仪”对其进行分析。尽管含水量很低，但是每吨月球表面土壤大概含有120g的水。

最后是二氧化碳。我们人类日常的呼吸过程就会释放出二氧化碳来，能够为光合作用提供原料。

不过由于人类在呼吸过程中还会同时呼出氮气、氧气等其他气体，因此二氧化碳需要进行提纯才能使用。而这一点在月球很容易实现：月球昼夜温差大，其夜间温度将会降至-173℃。在这个温度下，哪怕是处于几乎零气压的月球，二氧化碳也会凝华成干冰而析出，而氧气和氮气的沸点要低多了，因此依然维持气态。这样就能将二氧化碳进行提纯。

至此，在月球进行光合作用的原料问题就解决了，关键的“叶绿体”怎么办呢？

其实从化学角度来看，光合作用本质上分为光反应和暗反应阶段。光反应阶段中，是水变成了氧气和氢，而能量从光能变成了电能并进一步以化学能的方式储存在了ATP中。暗反应阶段中，二氧化碳在能量ATP以及酶的帮助下，转换成为葡萄糖等有机物，并生成水。

光合作用分为光反应和暗反应两个阶段

图片来源：wikipedia- Cindyhsieh

也就是说，我们只要实现“让二氧化碳与水在光照下转换成为有机物”，那么就基本上完成了光合作用。

而针对该过程，科学家早已经找到了解决手段，那就是：人工光合作用。

月壤进行人工光合作用，为什么行？

人工光合作用，简单地说，就是用光感应材料将光能转换成为电能，产生和生物中光合作用类似的反应。不过这一过程需要一些催化剂。而月壤中，恰恰就有这类催化剂！

万事俱备。

研究人员试着模拟了人工光合作用过程，发现用月壤作为催化剂，可以实现水的电分解、有机物合成这些光合反应中的基本过程。最后，能够产生O₂、H₂、CH₄和CH₃OH，这些产物既可以用于人的呼吸需求，也可以作为燃料和重要的化工原料。

基于仿真，研究人员也提出了未来在月球进行光合作用的可行步骤：

（a）利用分离器，将呼吸废气中的二氧化碳、水蒸气、氧气等分离开，二氧化碳和氧气进入存储罐中；

（b）利用月壤作为催化剂，在阳光照射下电解水（水来自月壤以及呼吸产生的水蒸气），获得氧气和氢气；

（c）利用月球本身夜间的低温，将储存罐中的二氧化碳分离出来，加入下一步光合反应中；

（d）月球白天温度升高到127℃左右，适宜进行下一步光合作用：在月壤的催化作用下，二氧化碳与氢气发生化学反应，形成（CH₄）或甲醇（CH₃OH）。前者可以用作燃料和推进剂，后者可以作为基本化学材料。

在月球利用月壤作催化剂进行光合作用的示意图

图片来源：CellPress 微信号

这样一循环，所有的产品都可以成为提高人类在月球上生存可能的可用物质了。

畅想未来，脚踏实地

我们可以畅想一下，有了这套方法，建设月球基地的难度又进一步下降了。我们可以直接利用月球表面的土壤来进行相关的生存物资再生产，可以极大地改善月球上的生存条件。

事实上，不仅仅是月球，这一光合作用的方案对其他地外探索项目也非常有用。过去地外探索活动中，除了太阳光能从外界补充，其他所有物资都需要从地球准备，并储存在飞船中，这极大浪费了飞船的载重和空间。

而上述光合作用流程一旦实现，就可以极大提高空间探索的能力，甚至朝着“零耗能”的方向去努力，实现地外生命保障系统的升级，让未来的宇宙探索更加轻松。

当然，目前这只是实验室的初步结果，真正应用到太空中，还需要很多努力。

比如，目前人工光合作用产生的是甲醇，而自然界的光合作用产生的是更加复杂的碳水化合物。尽管二者在一定程度上可以转换，但是目前从应用层面，甲醇要变成人类可利用的有机物还有很长的路。

比如研究中观察到了一定的催化活性下降问题、人工光合作用的效率和稳定性较低的问题，并且在当前的情况下，整个过程对于设备、技术等都有较高的要求。

虽然“月壤的人工光合作用”并不能短期内走向应用，但是我们依然看到了一种可能性：人类的未来一定是星辰大海。