太空農(nóng)業(yè)發(fā)展史

雷蒙德·M.惠勒

1880年，小說家珀西·格雷格寫了一個去往火星的太空旅行者的故事，故事里講到他如何使用隨身攜帶的植物來實現(xiàn)廢物回收。幾十年后的20世紀(jì)20年代，俄羅斯航空科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描述了在溫室密閉的環(huán)境下人類與植物可能的共存場景。

齊奧爾科夫斯基設(shè)想的農(nóng)業(yè)模型可以收集陽光并在降低的氣壓下減少內(nèi)部力量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。他還設(shè)計了一個溫室模型草圖，談到在里面種植香蕉和其他作物。幾十年后，在一本名為《火箭與太空旅行》的書中，作者威利·萊認(rèn)為，如果太空旅行的時間相當(dāng)長，可以通過種植作物來獲取和儲存氧氣，并且認(rèn)為南瓜是個不錯的候選作物。

對人類與植物在太空中共生的興趣促使人們開始測試藻類作為生命保障的可能性，以20世紀(jì)五六十年代杰克·邁爾斯和其他科學(xué)家為美國空軍和美國航空航天局所做的工作為開始的標(biāo)志。

太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)可以通過人類呼吸和植物光合作用的一般代謝方程來對比歸納，植物或其他光合生物體通過光合作用產(chǎn)生生物量與氧氣，同時消耗空氣中的二氧化碳。通過選擇合適的物種，比如農(nóng)作物，該生物量的一部分可以作為食物。此外，還有一個不太明顯但具有相當(dāng)價值的貢獻(xiàn)，那就是廢水可以通過循環(huán)回到植物中，所得的蒸騰物濃縮后可轉(zhuǎn)化為潔凈的水。

50多年來，太空農(nóng)業(yè)和生物再生生命保障課題已激發(fā)了全世界無數(shù)才華橫溢的研究人員，下面便是一些研究人員、設(shè)施及成果。

藻類“農(nóng)業(yè)”

20世紀(jì)五六十年代，太空農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的初步研究主要集中在藻類，特別是小球藻屬。小球藻具有耐活、繁殖快的屬性，在培養(yǎng)器（如恒化器）中較易培養(yǎng)，可將光源直接嵌入培養(yǎng)器，或者將培養(yǎng)器圍在光源周圍，從而提供近乎完全的光吸收環(huán)境。這些研究表明，在面積為5平方米至50平方米的空間使用照明功率為10千瓦至100千瓦的光照能產(chǎn)生可供一人使用的氧氣。研究人員還對其他藻類和藍(lán)藻細(xì)菌進(jìn)行了研究，包括藍(lán)細(xì)菌、胞藻、柵藻、聚球藻和螺旋藻。

在美國學(xué)者進(jìn)行以上這些研究的同時，俄羅斯研究人員正在封閉環(huán)境中使用藻類生物反應(yīng)器和植物生成氧氣。

大多數(shù)早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星” 計劃和“雙子座”計劃中產(chǎn)生氧氣。遺憾的是， 初期研究中產(chǎn)生的氧氣的質(zhì)量和濃度都無法勝任短期任務(wù)，但這類研究還是引起了人們的廣泛關(guān)注。

然而，將藻類轉(zhuǎn)化為可食用的食物具有很大的挑戰(zhàn)性。因為很多藻類的蛋白質(zhì)和核酸含量過高，不利于飲食平衡，還有許多藻類含有大量人體不能消化的細(xì)胞壁成分。其他研究還發(fā)現(xiàn)，一些藻類和藍(lán)藻細(xì)菌會產(chǎn)生毒性揮發(fā)物，正是這些毒性揮發(fā)物導(dǎo)致了20世紀(jì)70年代俄羅斯早期BIOS 項目（即長期載人航天生命保障地面模擬裝置，是蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院生物物理所于20世紀(jì)70年代早期研制的人工密閉“人-植物”生態(tài)系統(tǒng)）的失敗。

太空農(nóng)業(yè)植物

植物（作物）作為食物已被人類食用了數(shù)千年，而且具有與藻類相同的大氣再生功能。美國航空航天局成立后不久，科研人員在俄亥俄州的賴特·帕特森空軍基地召開了一次“生物物理研討會”，會上列出了一個可為太空任務(wù)補(bǔ)充膳食的作物清單。選擇的標(biāo)準(zhǔn)包括：具有在光照少、空間小的環(huán)境下生長的能力，高產(chǎn)，以及對氯化鈉（來自尿液回收）的滲透應(yīng)力具有耐受性。這個清單包括：萵苣、大白菜、花椰菜、甘藍(lán)、蘿卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西蘭菠菜、莧菜和甘薯。盡管有這么多的備選作物，但在20世紀(jì)六七十年代，美國空間計劃中為生命保障而進(jìn)行的作物測試都處于停滯狀態(tài)。

在過去幾十年間，植物的種植方式有了重大改進(jìn)，包括使用高強(qiáng)度照明系統(tǒng)來實現(xiàn)更高的光照強(qiáng)度，采用植物間距法來減少光照浪費，使用水培方法以避免水分和養(yǎng)分脅迫，以及通過二氧化碳濃縮方法來提高光合作用率和產(chǎn)量，等等。這一系列措施使植物/ 作物的產(chǎn)量穩(wěn)步提高，從而對藻類形成強(qiáng)有力的競爭。

俄羅斯的探索性研究

與此同時，作為BIOS計劃的一部分，俄羅斯的生物再生測試也蓬勃發(fā)展起來。計劃中對生活在封閉環(huán)境中的人員進(jìn)行了測試，他們在封閉環(huán)境中種植作物作為主要食物來源，并利用小麥等作物實現(xiàn)大氣再生；在有些實驗中，還會將營養(yǎng)和水（來自尿液和洗衣水）回收到植物中。克拉斯諾亞爾斯克生物物理研究所的研究人員曾一度接近100人，在長達(dá)15年的時間里，一共進(jìn)行了3次以人為研究對象的封閉生命保障測試。在一些測試中也使用了藻類（小球藻）培養(yǎng)器，日產(chǎn)氧

氣量高達(dá)1800升。

但是，當(dāng)藻類生長室與植物生長室連通后，小麥的生長發(fā)育變緩了，麥穗枯瘦，馬鈴薯和番茄停止生長，黃瓜也不再開花且葉片變黃，甜菜葉里檢測到濃度很高的花青素。這表明，藻類產(chǎn)生了一些不明毒性的揮發(fā)物。因此，在20世紀(jì)70年代末80年代初，BIOS計劃將研究方向轉(zhuǎn)向光合作用生產(chǎn)。據(jù)我所知，這是第一個超過田間產(chǎn)量的受控環(huán)境農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡蘿卜、蒔蘿、蘿卜、大白菜、黃瓜、洋蔥和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡蘿卜、蘿卜、甜菜、洋蔥、蒔蘿、番茄、黃瓜和馬鈴薯，而小麥的種植貫穿整個研究階段。

20世紀(jì)70年代，在為期兩個月的測試期內(nèi)，兩個BIOS-3植物生長室（總面積為41平方米）共生產(chǎn)植物干質(zhì)量約117千克，其中有37.4千克是可以食用的。測試中，BIOS-3生長室中二氧化碳的濃度從6‰至24‰不等，平均濃度超過1%。該數(shù)字表明，在密閉系統(tǒng)中達(dá)到人與植物的最佳水平還是可能的。有趣的是，超高濃度的二氧化碳對作物的影響一直是太空農(nóng)業(yè)的一個重要領(lǐng)域。在研究后期，還測試過將人類尿液直接回收到小麥作物中的可能性，結(jié)果顯示，營養(yǎng)液中的鈉積

累對被測試小麥的長勢幾乎沒有什么影響，證明了已具備將廢水中的營養(yǎng)和水直接回收到植物中的能力。

當(dāng)克拉斯諾亞爾斯克生物物理研究所致力大規(guī)模的地面太空農(nóng)業(yè)實驗時，其他俄羅斯研究人員，尤其是莫斯科的俄羅斯科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所，開始測試如何在太空設(shè)施中（如“和平”號空間站或國際空間站）實際開展農(nóng)業(yè)。于是，Svet植物生長室在“和平”號空間站應(yīng)運而生，開始對小麥以及其他植物進(jìn)行貫穿整個生長周期的研究。此后，人們以Svet植物生長室為藍(lán)本建造了較小的Lada植物生長室，后者被送到國際空間站。Lada植物生長室針對小麥、豌豆、大麥展開大量研究，并對空間作物的食品安全問題進(jìn)行研究。

Lada的各項硬件設(shè)施還被用來研究空間顆粒介質(zhì)中水和氣體的相互作用。生物醫(yī)學(xué)問題研究所的尤利·別爾科維奇教授及其同事還研發(fā)了一種植物生長輸送機(jī)，可以在微重力環(huán)境下連續(xù)生產(chǎn)。

美國航空航天局的研究

1980年，美國航空航天局開啟封閉（或可控）生態(tài)生命保障系統(tǒng)，或稱為CELSS計劃，從而重啟生物再生研究。此時的作物清單開始考慮人類更廣泛的營養(yǎng)需求（如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪），并開始考慮收獲指數(shù)、食品加工和園藝要求。清單中常見的作物有：小麥、大豆、馬鈴薯、大米、甘薯、萵苣和花生。

美國航空航天局的CELSS計劃在20世紀(jì)80年代迅速擴(kuò)大，大部分研究都在大學(xué)開展，艾姆斯研究中心承擔(dān)了部分研究。實驗通常在具有電照明的生長室中進(jìn)行，使用水培法或固體生長培養(yǎng)基方法培植。

美國航空航天局的研究人員還研究了二氧化碳增多對植物生長和生理的影響。此外，作為CELSS計劃和隨后的先進(jìn)生命保障計劃的一部分，研究人員就作物對溫度、濕度、礦物營養(yǎng)、光合有效輻射、光周期，甚至光譜質(zhì)量的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行了廣泛的測試。美國航空航天局為威斯康星大學(xué)空間自動化與機(jī)器人中心提供資金，啟動了用于宇宙飛船的宇宙培養(yǎng)植物生長室的LED測試。1990年，LED用于植物種植成為一項專利。之后，LED照明在受控環(huán)境農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用，這是空間研究反哺地球農(nóng)業(yè)的一個很好的例證。此外，美國航空航天局還資助了針對空間飛行器（微

重力環(huán)境下）的灌溉測試，例如在太空中使用多孔膜或管道來澆灌植物。

美國航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物質(zhì)生產(chǎn)室（BPC），該生產(chǎn)室的運行時間為1988年至2000年，被稱為“試驗板” 計劃。BPC是一個面積為20平方米的封閉種植區(qū)域，與在太空中可能遇到的情況類似。那時的人們并不知道，這可能是第一個垂直農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。測試內(nèi)容包括4種小麥（每種種植時間約86天）、3種馬鈴薯（每種種植時間為105天）、3種大豆（每種種植時間為90天）、4種萵苣（每種種植時間為28天）、2種番茄（每種種植時間為85天），以及對大

米與蘿卜的探索實驗。在同一養(yǎng)分溶液中對馬鈴薯的連續(xù)測試顯示，第一次播種后形成了塊莖誘導(dǎo)，這證實了生長室研究中觀測到的結(jié)果，即營養(yǎng)液中積累了不明塊莖誘導(dǎo)或激素類因子。

同時，BPC測試還允許利用光和二氧化碳來評估作物性能的瞬態(tài)變化、光合二氧化碳補(bǔ)償點的測量等。美國航空航天局的BPC研究是首次跟蹤不同作物的全冠層乙烯生產(chǎn)率的研究，結(jié)果表明正常生長和發(fā)育過程中都會產(chǎn)生乙烯，特別是在營養(yǎng)生長期、葉片快速膨脹期和更年性果實成熟期間。使用水培營養(yǎng)膜技術(shù)大規(guī)模培植馬鈴薯的研究顯示，營養(yǎng)膜技術(shù)也適用于其他地下作物，如甘薯和花生。

盡管BPC測試的作物產(chǎn)量很高，但通常小于使用較小生長室進(jìn)行研究測得的最佳產(chǎn)量。這是一個相當(dāng)重要的觀測結(jié)果，可能與以下幾個因素相關(guān)：首先，較小生長室通常具有更明顯的側(cè)面照明邊緣效應(yīng)，從而提高產(chǎn)量；其次，面積越大，時間和物流需求越大，對個體植物的關(guān)注度通常會降低；第三，封閉空間內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物的累積可能會對BPC 測試中的作物產(chǎn)量產(chǎn)生一些負(fù)面影響。

與俄羅斯人一樣，美國航空航天局為封閉系統(tǒng)中的人類開發(fā)出了綜合的生物再生生命保障測試功能。這些研究在美國航空航天局約翰遜航天中心進(jìn)行，一系列測試的結(jié)果顯示，強(qiáng)光照條件下只需要11平方米的小麥就可以滿足一個人的需氧量。

該系列測試的下一步是建造一個更大的設(shè)施，使其最終能夠為以植物為主要食物來源的受測人員提供生命保障需求。這一更大的設(shè)備就是懸液芯片系統(tǒng)（BIO-Plex），包括兩個大型農(nóng)業(yè)模型。同時，美國航空航天局還資助了旨在開發(fā)行星表面環(huán)境下有可能與人類棲息地相通的溫室結(jié)構(gòu)的各種嘗試，該構(gòu)想可以使用電照明，或者由系統(tǒng)直接捕獲太陽光，或者由收集器采集陽光，再由光纖傳輸?shù)绞鼙Ｗo(hù)的棲息地。此外，還在美國南極站等孤立環(huán)境中進(jìn)行了植物生長的相關(guān)測

試，很好地模擬了太空中的孤立環(huán)境。

但是，BIO-Plex系統(tǒng)并沒有完成使命，美國航空航天局的大規(guī)模生物再生生命保障系統(tǒng)也于2000年左右終止了。

“生物圈2”號

當(dāng)然，在封閉生態(tài)系統(tǒng)的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世紀(jì)80年代末至90年代初在美國亞利桑那州圖森市附近設(shè)計和建造的由私人贊助的“生物圈2”號設(shè)施。這一封閉設(shè)施面積約1.2公頃，包括人類生活區(qū)和多種生態(tài)系統(tǒng)，動植物種類繁多，環(huán)境管理和控制能力復(fù)雜?！吧锶?”號的規(guī)模和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了大多數(shù)空間機(jī)構(gòu)對早期任務(wù)所設(shè)的預(yù)想，他們的目標(biāo)，即了解封閉生態(tài)系統(tǒng)和為人類生命提供保障的生物再生方法，對太空農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)提供了深刻洞見?！吧锶?”號團(tuán)隊仍然在較小的實驗室規(guī)模模塊里進(jìn)行實驗，并在密閉系統(tǒng)中對

諸如墨西哥豆、豇豆、甘薯和小麥等作物進(jìn)行研究。同時，他們的這一行為也已被世界上各團(tuán)體討論和仿效。

在對包括太空農(nóng)業(yè)在內(nèi)的再生生命保障系統(tǒng)積極研究期間，由羅格斯大學(xué)的哈里·詹妮斯博士主編的《生命保障與生物圈科學(xué)》雜志（1994—2002）發(fā)表了大量與生命保障和太空農(nóng)業(yè)有關(guān)的文章。該雜志后來更名為《棲息地研究》。盡管該雜志現(xiàn)已停止出版，但是它對20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初期的生物再生和可控環(huán)境農(nóng)業(yè)的研究提供了寶貴資源。