太空中的植物棲息地

鮑勃·格拉納特

美國(guó)航空航天局一直有致力太空種植方面研究的項(xiàng)目，BRIC就是其中之一。BRIC項(xiàng)目為

“Biological Research In Canisters”的縮寫，意為“密閉空間中的生物學(xué)研究”。該項(xiàng)目的研究平臺(tái)是一個(gè)承載實(shí)驗(yàn)的密閉系統(tǒng)，在1997年11月開始的美國(guó)微重力載荷“哥倫比亞”號(hào)航天器STS-87項(xiàng)目期間首次使用，隨后又被應(yīng)用于STS-135項(xiàng)目，2011年7月，該項(xiàng)目完成了最后一次飛行任務(wù)。

美國(guó)航空航天局位于佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心BRIC項(xiàng)目負(fù)責(zé)人何塞·卡馬喬說：“BRIC 項(xiàng)目所用的平臺(tái)屬于快速通道型設(shè)備，一次有效載荷6個(gè)月至8個(gè)月就可準(zhǔn)備就緒，大多數(shù)項(xiàng)目需要的準(zhǔn)備時(shí)間比這長(zhǎng)得多?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/05/12/fdts201705fdts20170513-1-l.jpg" style="">

佛羅里達(dá)大學(xué)分子遺傳學(xué)教授安娜·麗莎·保羅和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校植物學(xué)教授西蒙·吉爾羅伊經(jīng)美國(guó)航空航天局選拔參與了太空生物學(xué)研究。

保羅的研究專注于缺少對(duì)引力做出反應(yīng)的未分化細(xì)胞在太空中的表現(xiàn)。未分化細(xì)胞是不成熟或發(fā)育不全的細(xì)胞，還沒有獲得某些特殊的結(jié)構(gòu)和功能。

吉爾羅伊的研究?jī)?nèi)容則是外層空間的低氧條件對(duì)擬南芥種子的基因發(fā)育的影響。一般認(rèn)為，根區(qū)低氧是外層空間飛行中產(chǎn)生的現(xiàn)象，因?yàn)槭е卦斐筛×︱?qū)動(dòng)對(duì)流，促進(jìn)生物體周圍的氣體交換。這反過來導(dǎo)致限氧條件的形成，對(duì)植物活力和生產(chǎn)能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

這些研究可以幫助我們理解環(huán)境刺激的交互作用如何影響失重環(huán)境中的植物發(fā)育。另外，植物分析將利用確定的突變定制植物，使其在外層空間茁壯成長(zhǎng)，檢驗(yàn)其潛力的大小。這些研究的最終目的是為長(zhǎng)時(shí)間的外層空間生活提供食物，比如，要前往某個(gè)小行星或火星。

目前用于BRIC項(xiàng)目的反應(yīng)容器體積為17.6厘米×10厘米×10厘米，可安裝五六個(gè)有蓋培養(yǎng)皿固定裝置。

一位宇航員利用肯尼迪航天中心的制動(dòng)設(shè)備研制了一種RNA穩(wěn)定溶液。這種溶液可以中止幼苗和細(xì)胞的發(fā)育，使其就像凝結(jié)在時(shí)間中一樣，停止所有的生物活動(dòng)，然后被儲(chǔ)存在空間站的冷凍庫(kù)里，防止它們?cè)凇疤章眯小敝性獾讲涣辑h(huán)境的破壞。

一旦進(jìn)入國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)室，在溫度達(dá)到4℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)就會(huì)啟動(dòng)。與此同時(shí)，位于地球的肯尼迪航天中心也會(huì)在空間站加工設(shè)施里進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，為項(xiàng)目提供對(duì)照研究結(jié)果，以比較重力作用對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

之前，肯尼迪航天中心的大部分工作都集中于接收、加工和發(fā)射其他中心研制的運(yùn)載工具。但是，近幾年，這里的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)植物棲息地，以研究植物在微重力的太空環(huán)境中生長(zhǎng)的問題。

國(guó)際空間站地面加工和研究指揮部的植物棲息地項(xiàng)目經(jīng)理布萊恩·奧納特說：“這是肯尼迪航天中心首次牽頭研發(fā)的空間站有效載荷大型項(xiàng)目。這個(gè)植物棲息地是一個(gè)大型封閉室，可以支持在空間站開展商業(yè)性植物研究和基礎(chǔ)植物研究?！?/p>

這是一件有效載荷，會(huì)被安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加快處理實(shí)驗(yàn)空間站的機(jī)架上送入太空。這個(gè)多用途載荷托架系統(tǒng)為研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了場(chǎng)所，支持跨越許多學(xué)科的科學(xué)研究，為其提供結(jié)構(gòu)界面、動(dòng)力、數(shù)據(jù)、冷卻、供水及其他環(huán)軌科學(xué)載荷所需的物資。

美國(guó)航空航天局正在空間站對(duì)植物進(jìn)行研究，以便在未來的長(zhǎng)期太空任務(wù)中為宇航員提供食物。而且，它們還可以重復(fù)利用二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為可供呼吸的氧氣，這對(duì)宇航員來說非常重要。

奧納特解釋說，空間站上的多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是一些大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人開發(fā)的。他說：“植物棲息地項(xiàng)目是想通過這種努力吸引更多的研究人員來參與此類研究。為此，我們已經(jīng)與軌道科技公司（ORBITEC，位于威斯康星州麥迪遜市，是一家子系統(tǒng)集成及高科技開發(fā)公司）簽約，請(qǐng)他們幫助設(shè)計(jì)、制造此類植物棲息地?！?/p>

植物棲息地的設(shè)計(jì)包括控制溫度、濕度、二氧化碳水平和照明的能力。光照是植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要組成部分，這個(gè)有效載荷中使用的是發(fā)光二極管（LED）。實(shí)驗(yàn)證明，這種LED光可以滿足植物生長(zhǎng)的需要。在植物棲息地內(nèi)部有一個(gè)托盤，用它來種植不同種類的植物，為植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)提供主要的結(jié)構(gòu)支持及植物根區(qū)用水，可卸載、可重構(gòu)。這個(gè)托盤由一個(gè)結(jié)構(gòu)原件、一個(gè)供水裝置和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接入控制板組成，為種植在上面的植物提供基礎(chǔ)的生長(zhǎng)要素支持。這個(gè)設(shè)備還會(huì)為其他特殊實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)測(cè)量方面的支持，供調(diào)查人員擴(kuò)展植物棲息地的基礎(chǔ)功能。

奧納特說：“這些托盤有一整套系統(tǒng)，供宇航員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把水和植物生長(zhǎng)需要的其他營(yíng)養(yǎng)注入支持植物生長(zhǎng)的媒介，支持項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)他們想種植的植物種類以及他們打算要做的實(shí)驗(yàn)種類對(duì)其進(jìn)行調(diào)整?！敝参飾⒌乜梢岳每臻g的微重力，根據(jù)研究需要運(yùn)行30天、60天或90天。

2015年8月10日，國(guó)際空間站的宇航員收獲了一批“極品紅”長(zhǎng)葉萵苣，8月12日，他們?cè)谌澜绾娇諓酆谜叩淖⒁曄掠脵幟仕峄称钒踩l(wèi)生濕巾清潔了萵苣，品嘗了這種可愛的蔬菜。他們只能吃掉其中一半，其余的要在空間站包裝冷凍，送回地球供科學(xué)分析。

美國(guó)航空航天局用于植物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的第一批實(shí)驗(yàn)裝置于2014年5月由39號(hào)探險(xiǎn)任務(wù)飛行工程師史蒂夫·斯汪森啟動(dòng)，同時(shí)，也由他負(fù)責(zé)澆水和護(hù)理。第一批蔬菜用了33天成長(zhǎng)，在被收獲后于2014年10月送回地球。在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，這些植物接受了食品安全分析。第二批于2014年7月8日由凱里啟動(dòng)，也讓其生長(zhǎng)33天后收獲。這些種子都是在空間站存放了15個(gè)月后才被喚醒并開始生長(zhǎng)的。

植物棲息地有一個(gè)扁平面板燈組，由紅、黃、藍(lán)三色二極管組成，在為植物生長(zhǎng)提供光照的同時(shí)，方便宇航員對(duì)其進(jìn)行觀察?？夏岬虾教熘行奶剿餮芯亢图夹g(shù)項(xiàng)目辦公室高級(jí)生命支持項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人雷·惠勒博士說，利用LED燈光種植是美國(guó)航空航天局在20世紀(jì)90年代后期就提出的設(shè)想。

植物棲息地中植物周圍的紫色、粉紅色調(diào)是紅燈和藍(lán)燈組合所致，按照設(shè)計(jì)，它們比綠光LED放出更多的光。在光線中加入綠色光是為了讓蔬菜看上去像能食用的食物，而不是奇怪的紫色植物。

惠勒說：“植物生長(zhǎng)得有藍(lán)色和紅色波長(zhǎng)的光。從電力轉(zhuǎn)換的角度來說，這些光是效果最好的。綠光LED有助于促進(jìn)人類對(duì)植物的視覺感知，但是沒有紅光和藍(lán)光的幫助大?！?/p>

惠勒、馬薩和加里·斯圖特博士都來自肯尼迪航天中心，此前在美國(guó)航空航天局位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫市附近的沙漠試驗(yàn)場(chǎng)研究類似的種植實(shí)驗(yàn)?；堇照f，綠色棲息地將幫助他們更多地了解受控農(nóng)業(yè)環(huán)境的種植問題，比如立體農(nóng)業(yè)（將植物架摞起來，使用水耕法種植，用紅光和藍(lán)光LED之類的電燈照明）。這種系統(tǒng)在亞洲有些國(guó)家很受歡迎，在美國(guó)也開始發(fā)展。

惠勒說：“初步實(shí)驗(yàn)證明，綠色棲息地也可以種植西紅柿、藍(lán)莓之類的新鮮食品，它們都是良好的抗氧化劑來源。如果能在外層空間種出這樣的新鮮食品，不光可以幫助宇航員調(diào)節(jié)情緒，一定程度上還能夠在外層空間防范輻射?！?/p>

在第一批收獲的萵苣送回地面之后，馬薩和一名航天醫(yī)生以及美國(guó)航空航天局安全代表小組開始極力申請(qǐng)讓宇航員長(zhǎng)期食用這種產(chǎn)品，因?yàn)檫@些萵苣的微生物食品安全分析結(jié)果很好。

除了具有營(yíng)養(yǎng)上的好處之外，在外層空間種植新鮮產(chǎn)品會(huì)不會(huì)產(chǎn)生心理上的好作用呢？亞歷山德拉·惠特邁爾參與了解答這個(gè)問題的研究，他是位于休斯敦的美國(guó)航空航天局約翰遜航天中心的一名科學(xué)家。

惠特邁爾是美國(guó)航空航天局人類研究項(xiàng)目的行為健康與績(jī)效研究科學(xué)家。她的團(tuán)隊(duì)注重與降低火星任務(wù)心理風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的研究，致力宇航員行為條件、績(jī)效減弱以及集體交流和心理適應(yīng)方面的研究。

惠特邁爾說：“未來的外層空間飛行任務(wù)可能涉及4名至6名機(jī)組人員，在一個(gè)有限空間里生活比較長(zhǎng)的一段時(shí)間，交流受到限制。提供有效訓(xùn)練，讓機(jī)組成員在執(zhí)行任務(wù)期間具備有效的防范措施，這一點(diǎn)很重要?！?/p>

防范措施可能包括讓工作富有意義，在居住環(huán)境中種植植物?；萏剡~爾說，目前的研究已經(jīng)表明植物與幸福和最佳效益相關(guān)，將植物作為長(zhǎng)期探索任務(wù)期間的防范措施具有很大潛力。如果在極端的、壓力很大的太空生活中有其他物種的陪伴，對(duì)宇航員的心理幫助極大。

馬薩說：“人類離開地球越遠(yuǎn)、時(shí)間越長(zhǎng)，就越需要能夠種植植物，供給食品，促進(jìn)空氣再循環(huán)，改善心理狀態(tài)。我認(rèn)為，植物體系將成為任何長(zhǎng)期探索項(xiàng)目的重要組成部分。

“我們希望增加作物的數(shù)量和類型，這樣就能夠更多地了解微重力條件下的種植，還可以觀察光的質(zhì)量對(duì)作物收成、營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味的影響，無論是在地球上還是在外層空間。”