太空中的一抹綠

2017年2月，SpaceX CRS-10任務(wù)火箭從美國卡納維拉爾角升空，飛往國際空間站。這次的火箭帶有一項(xiàng)特殊任務(wù)：NASA第一個微觀察計(jì)劃。該計(jì)劃由德國拉文斯堡的三位農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)，目的是研究微重力作用下巖屑的培育，這對發(fā)展太空種植技術(shù)有著重要意義。也就是說，科學(xué)家們正研究哪些作物可在地球以外種植。

農(nóng)業(yè)是人類社會最古老的產(chǎn)業(yè)。太空農(nóng)業(yè)這一想法始于1977年。當(dāng)時中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的一位研究員在研究軌道飛行對植物生長的影響后發(fā)現(xiàn)，暴露在宇宙輻射下和受到太空中其他因素影響的植物種子會發(fā)生DNA突變。

1987年至2005年間，中國向太空發(fā)射的火箭中共攜帶了400多種植物種子，正是用這些從太空回來的種子，人們才種出了巨型茄子，和長達(dá)半米、重達(dá)10公斤的黃瓜。2006年，中國國家航天局在“實(shí)踐八號”衛(wèi)星中裝載了糧食、蔬菜、水果、花卉等2000多種共約215公斤重的種子，用于太空環(huán)境下的誘變試驗(yàn)，即利用宇宙空間環(huán)境因素對種子的影響，使種子產(chǎn)生在地面環(huán)境中得不到的變異，最終篩選出發(fā)生了有利變異的農(nóng)作物新品種。作為農(nóng)業(yè)大國，中國一直沒有放棄探索太空農(nóng)業(yè)技術(shù)。2018年發(fā)射的“嫦娥四號”探測器中，也搭載有種子和蟲卵，用以研究其在月球表面的栽培和孵化問題。

關(guān)于太空農(nóng)業(yè)的設(shè)想

很多學(xué)者都看好太空農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿Γ绹樟炙诡D大學(xué)的物理學(xué)教授杰拉德·奧尼爾曾于1977年出版了《太空城市》一書。奧尼爾在書中提出了如何利用當(dāng)時可用的技術(shù)，在沒有大氣層、重力和土壤的太空中創(chuàng)造一座城市。在他設(shè)計(jì)的太空城中，可容納近1000萬人。要保障這么多人的口糧，需要建立一片農(nóng)業(yè)區(qū)域，并保證充足的光照、空氣、水源和養(yǎng)料。據(jù)估算，此耕種面積應(yīng)達(dá)到650平方公里，約為安道爾面積的1.5倍。

為實(shí)現(xiàn)該設(shè)想，奧尼爾倡導(dǎo)發(fā)展可同時種植幾種作物的超集約化農(nóng)業(yè)。也就是說，在一塊土地中，同時放入生長周期短和長的作物種子（如玉米和土豆），每年最多同時種植四種作物，并控制好環(huán)境的溫度和濕度。如此，每21公頃土地產(chǎn)出的作物就能養(yǎng)活53個人。

顯然，在紙上規(guī)劃太空農(nóng)業(yè)是一回事，但要真正實(shí)現(xiàn)太空種植又是另外一回事。要不然，也不會自1971年蘇聯(lián)將第一個太空站送入軌道以來，一直到2015年，宇航員們的飲食都還只停留在脫水食品階段。人類能在太空中停留的時間越來越長，考慮到向宇宙空間站運(yùn)送食材的高昂成本（運(yùn)一公斤意大利面就要耗費(fèi)近兩萬歐元），各國航天機(jī)構(gòu)都在推行的太空種植計(jì)劃也就不足為奇了。

適合太空種植的植物

人類對于太空種植的探索終于有了回報(bào)。2015年8月，生活在國際空間站的宇航員們，第一次嘗到了在太空種植出來的生菜。這不僅宣告了人類可以在微重力環(huán)境下培育出蔬菜，對人類繼續(xù)進(jìn)軍宇宙的計(jì)劃也具有突破性的意義。這得益于NASA的Veggie項(xiàng)目，即嘗試在國際空間站的溫室中，用極少的水和肥料，無土種植可食用植物。

該項(xiàng)目始于2010年，一方面NASA希望確保宇航員能吃上新鮮的食物，另一方面也是為了研究哪類植物在微重力環(huán)境下生長得最好。這些年來，Veggie植物生長箱的體積越來越大，可種植的植物種類也越來越豐富：長葉萵苣、白菜、羽衣甘藍(lán)、山葵等，多達(dá)18種。

人類對于太空種植的研究從未停止。在NASA和歐洲航空航天局的合作研究項(xiàng)目“幼苗計(jì)劃3號”中，西班牙國家研究委員會生物研究中心的弗朗西斯科·梅迪納主要負(fù)責(zé)十字花科南芥屬植物在太空中培養(yǎng)的優(yōu)化方法。

德國航空航天中心的工程師丹尼爾·舒伯特，也在模擬在火星和月球環(huán)境的溫室里種植蔬菜。他利用回收尿液作為肥料，同時改變光照中紅光、藍(lán)光和紫外線的比例。研究發(fā)現(xiàn)，光照中紫外線的比例越高，種出來的蔬菜味道越好。

要實(shí)現(xiàn)太空種植，最大的挑戰(zhàn)在于找到合適的植物品種。適合太空種植的蔬菜品種必須滿足三個條件：一、莖短，這樣可以節(jié)省空間;二、不可食用的部分少;三、能適應(yīng)光線不足的環(huán)境，且對有害生物具有一定的抵抗力。幼苗計(jì)劃的專家們正在用生物技術(shù)對小麥、土豆、大米和生菜等植物進(jìn)行基因鑒定，尋找這些植物是否具有在極端條件下仍可生存的基因。

為探索火星作準(zhǔn)備

美國計(jì)劃于2030年實(shí)施載人登陸火星任務(wù)，NASA現(xiàn)在有關(guān)太空農(nóng)業(yè)研究的項(xiàng)目都是在為這個任務(wù)作準(zhǔn)備。在最理想的情況下，宇航員到達(dá)火星也至少需要一年的時間，在火星上停留約六個月后，返回地球又需要一年。所以，一次性帶夠所有機(jī)組人員必需的食物是不現(xiàn)實(shí)的。

道理很簡單，每個宇航員每天需攝入2500至3000卡路里的熱量，且為了防止鈣流失和微重力條件下的其他不適，食物中必須包含15%的蛋白質(zhì)、30%的脂肪和50%的碳水化合物，剩下的則是水、咖啡、果汁等液體。所以，食物的儲存就成了問題，如果按每個宇航員每天最少需要兩公斤食物來算，一次包括了四名機(jī)組成員在內(nèi)的火星探險(xiǎn)，就至少需要攜帶七噸重的食物。

猶他州立大學(xué)的植物學(xué)家布魯斯·布格比表示：“為了實(shí)現(xiàn)人類殖民火星的計(jì)劃，第一批到達(dá)火星的宇航員在食物方面必須實(shí)現(xiàn)自給自足?！睘榇耍琋ASA向太空生物應(yīng)用中心投入500萬美元的經(jīng)費(fèi)，用于一個為期五年的研究項(xiàng)目，目標(biāo)是在模擬火星的環(huán)境中生產(chǎn)出生物燃料、化學(xué)材料、藥品和食品。

火星種植的可行性

想要在火星上種菜可不是一件簡單的事。地球的土壤中富含礦物質(zhì)、有機(jī)物、氣體、液體和無數(shù)的微生物，但在火星的表面卻只有一層薄薄的火山巖?；鹕綆r中缺少養(yǎng)分，但更主要的問題在于其中富含的高濃度氯酸鹽會對人體產(chǎn)生致命傷害。馬德里天體生物學(xué)中心的瑪麗亞·索爾薩諾表示，解決方法只能從兩個方向入手：一、開發(fā)能夠清潔土壤的植物;二、找到不吸收土壤中氯酸鹽的植物。

在2015年上映的電影《火星救援》中，宇航員馬克·沃特尼在火星上挖坑種植土豆，他用糞便為土豆施肥，借助火箭燃料獲得液態(tài)水，最后成功種出了土豆。盡管這只是一部虛構(gòu)的科幻片，但布格比表示，在火星上種植土豆確實(shí)具有可行性，且可以種的植物也不僅限于土豆。

2016年，NASA和秘魯?shù)膰H馬鈴薯中心展開合作，在地球上的仿火星生態(tài)實(shí)驗(yàn)室中培育土豆。他們選取了65個品種的土豆，觀察它們能否在與火星相似的環(huán)境下發(fā)芽。利馬工程技術(shù)大學(xué)的生物工程系主任胡里奧·西爾瓦表示，為了找到適合在火星上種植的品種，他們用了將近300公斤的土豆。

專家們測試了幾種不同的種植方式，其中一種被證實(shí)有效：先將土豆種子放進(jìn)裝著有機(jī)物質(zhì)的膠囊，再將其放入裝有模擬火星土壤的花盆里，令人驚喜的是，有三個品種的土豆成功發(fā)芽了。

土豆是世界第四大農(nóng)作物，人類的主要食物來源中約有1000種作物，雖然目前還無法在模擬火星的生態(tài)環(huán)境中種植所有的作物，但土豆的成功種植至少是一個良好的開始。更何況，進(jìn)行火星種植的意義并不只在于獲得食物。布格比教授稱，火星稀薄的大氣中含有很多二氧化碳，植物可以吸收二氧化碳并釋放氧氣，幫助我們將火星改造成一個更適宜人類居住的星球。