怎樣在火星上種植？

吳島

2016年，在荷蘭的一個(gè)酒店，植物生態(tài)學(xué)家維格·韋姆林克和他的幾十位客人坐在一起，享用了一次獨(dú)特的餐點(diǎn)。從菜單上看，食物很普通，有豌豆泥、土豆、黑麥面包、蘿卜泡沫和蕁麻湯，還有胡蘿卜冰糕等。為什么說(shuō)它“獨(dú)特”呢？原來(lái)，所有的這些食物都是在模擬火星和月球的土壤中種植出來(lái)的。這些土壤由地球上的火山巖碎石制成——將碎石顆粒分為不同的大小，并按與火星土壤相同的比例進(jìn)行混合（火星土壤數(shù)據(jù)來(lái)自火星流動(dòng)站的分析）。韋姆林克用“火星土壤”種植了10種農(nóng)作物，包括藜麥、水芹、芝麻菜和西紅柿等。

“火星土壤”的種植

最初開(kāi)發(fā)這種土壤，是為了在地球上模擬火星和月球的環(huán)境，對(duì)太空船和太空服進(jìn)行試驗(yàn)，以觀察它們?cè)谶@些星體上可能會(huì)出現(xiàn)的情況。很少有人認(rèn)為這些土壤可以用來(lái)種植農(nóng)作物。

一開(kāi)始，人們擔(dān)心土壤的質(zhì)地。特別是在早期，科學(xué)家在模擬的月球土壤中進(jìn)行種植，結(jié)果失敗了?！霸虑蛲寥馈彼坪醪贿m合農(nóng)作物生長(zhǎng)——它是一些極其細(xì)小、鋒利的磨蝕性巖石，刺穿了作物的根部。

但在模擬火星的土壤上，農(nóng)作物的種植成功了。韋姆林克表示，從營(yíng)養(yǎng)上講，來(lái)自“火星土壤”的食物與地球土壤的食物沒(méi)有區(qū)別;在口感方面，“火星番茄”甚至比“地球番茄”更甜一些。

目前韋姆林克正試驗(yàn)將富含氮的人類尿液添加到“火星土壤”中，以此來(lái)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。畢竟，如果人類要執(zhí)行任何有關(guān)“紅色星球”任務(wù)，“尿液”這種資源都很容易獲得。他還計(jì)劃在這些土壤中添加細(xì)菌，用來(lái)吸收、固定（火星）大氣中更多的氮，并吸食土壤中存在的有毒的高氯酸鹽。

在美國(guó)的維拉諾瓦大學(xué)，研究人員開(kāi)展了一個(gè)“紅拇指”項(xiàng)目，該項(xiàng)目在模擬出來(lái)的火星土壤上種植了許多作物。這些“火星土壤”原料來(lái)自美國(guó)加州的莫哈韋沙漠中的巖石。他們?cè)谠撏寥乐刑砑恿蓑球?，因?yàn)轵球揪哂袕乃廊サ挠袡C(jī)物質(zhì)中釋放出氮的能力。

研究人員在“火星土壤”上種植了西紅柿、大蒜、菠菜、羅勒、羽衣甘藍(lán)、生菜、芝麻菜、洋蔥和蘿卜等。收成的質(zhì)量參差不齊，其中，羽衣甘藍(lán)比較成功——它在“火星土壤”比在當(dāng)?shù)赝寥郎L(zhǎng)得更好。

土豆在致密的火星泥土中不太好生長(zhǎng)

“紅拇指”項(xiàng)目在2018年還成為了全球熱門(mén)新聞，當(dāng)時(shí)，國(guó)際媒體對(duì)“火星啤酒”的前景感到興奮，因?yàn)樵擁?xiàng)目成功種植了大麥和啤酒花。

失敗的土豆

土豆是人們非常理想的食物，因?yàn)樗芴峁┹^高的熱量，因此，維拉諾瓦大學(xué)的研究人員也在“火星土壤”上努力種植它們，但可惜失敗了：土豆喜歡松散的土壤，由于“火星土壤”被澆水后變得厚重又不透氣，結(jié)果，土豆“窒息而亡”。

研究人員表示，模擬火星種植，成功的關(guān)鍵可能在于如何選擇作物——應(yīng)該選擇多種不同的作物，這些作物可以享受更豐富的自然生態(tài)系統(tǒng)，而不是單一物種生態(tài)系統(tǒng)。

即使在地球上，農(nóng)業(yè)單一栽培也經(jīng)常會(huì)隨著時(shí)間的流逝而遭受損失。土壤中某種作物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在每次收成后都會(huì)減少，如果不更換種植別的作物，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)甚至?xí)萁摺?/p>

為了抵消這種影響，農(nóng)民經(jīng)常在同一種植區(qū)引入次生物種。它們的根系較淺，因此無(wú)法與主要農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)，但它們?nèi)钥梢蕴峁╊~外的固氮作用，以提高土壤肥力。研究人員現(xiàn)在正計(jì)劃通過(guò)大豆、玉米分別與藜草（一種多葉蔬菜）的混種來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。

模擬土壤的局限性

歐洲航天局的一名科學(xué)家指出，無(wú)論這些項(xiàng)目多么成功，模擬土壤始終具有非?，F(xiàn)實(shí)的局限性。這些土壤只是在對(duì)火星現(xiàn)有了解的基礎(chǔ)上模擬出來(lái)的，它可能與火星表面任何一個(gè)地點(diǎn)的土壤都不同。我們始終非常謹(jǐn)慎選取模擬的原料，但在單一的模擬中也很難呈現(xiàn)火星土壤的所有特征。

要解決這個(gè)問(wèn)題，唯一的方法是從火星表面采集真正的樣本并將其送返地球。

2020年7月30日，美國(guó)宇航局的“毅力號(hào)”漫游者出發(fā)前往火星，目標(biāo)是該“紅色星球”上的“Jezero Crater”區(qū)域（小行星撞擊形成的一個(gè)45千米寬、近500米深的隕石坑）——它是許多人們感興趣的巖石的所在地。按照計(jì)劃，“毅力號(hào)”將在這一片最肥沃的土地上，花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間來(lái)分析其表面。

對(duì)于那些希望在火星上種植農(nóng)作物的人來(lái)說(shuō)，有一點(diǎn)至關(guān)重要，那就是漫游者將收集巖石和土壤的樣本，然后將其儲(chǔ)存起來(lái)，并在未來(lái)某一天將它們送返地球進(jìn)行分析。而在此之前，我們只能使用模擬的火星土壤。

火星種植的障礙

即使研制出了合適的“火星土壤”，還有其他挑戰(zhàn)需要克服。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)是，火星距離太陽(yáng)比地球距離太陽(yáng)遠(yuǎn)約7000萬(wàn)千米，因此，火星上的陽(yáng)光只有地球陽(yáng)光43%的能量，而且它的平均溫度在-60℃左右。此外，由于火星本身的傾斜度再加上它繞太陽(yáng)的軌道高度呈橢圓，它的季節(jié)性變化非常明顯且強(qiáng)烈。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是火星的大氣層。它比地球大氣層薄很多，并且缺乏對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要的氮。在光合作用中，二氧化碳至關(guān)重要，但是火星上的二氧化碳濃度很低，以至于在其表面生長(zhǎng)的任何作物都難以充分利用它以刺激生長(zhǎng)。

此外，稀薄的大氣層還會(huì)將其土壤暴露在宇宙輻射之下，給所有微生物創(chuàng)造了一個(gè)不利的環(huán)境（這些微生物可以從死去的植物中回收營(yíng)養(yǎng)物）。天體生物學(xué)家指出，太陽(yáng)輻射可以活化火星土壤中的氯化合物，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜母呗人猁}。如果這些有毒的東西進(jìn)入到人體，可能會(huì)導(dǎo)致甲狀腺功能減退，從而阻止代謝調(diào)節(jié)激素的釋放。

還有，在火星土壤中發(fā)現(xiàn)的有毒重金屬，例如鎘、汞和鐵，也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。雖然這些重金屬對(duì)于植物來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題（因?yàn)樗鼈兛梢詫⑵浯鎯?chǔ)在某個(gè)部位），但是，如果我們?nèi)祟惓粤诉@些植物，那就是“大問(wèn)題”了。

如此看來(lái)，在火星上種植作物實(shí)在不容易，但我們似乎還有另外的選擇：目前地球上已經(jīng)使用的無(wú)土栽培技術(shù)——將植物懸浮在空中，并在根部噴灑了營(yíng)養(yǎng)霧;還有水培法——將植物根浸入營(yíng)養(yǎng)液中。

這些方法都可以產(chǎn)生更大、生長(zhǎng)更快的作物，目前已經(jīng)被成功地用于在國(guó)際空間站上種植生菜。事實(shí)上，宇航員對(duì)這些生菜的收成感到非常滿意，而且他們吃了很多。但這些生菜最大的問(wèn)題是——熱量太低。

因此，高熱量的土豆再次引起人們的關(guān)注，但在水中種植土豆非常困難，如果要向火星進(jìn)軍，在火星土地上種植始終是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。畢竟，對(duì)任何一個(gè)生活在離家數(shù)千萬(wàn)千米外的、具有開(kāi)拓精神的宇航員來(lái)說(shuō)，充足的營(yíng)養(yǎng)無(wú)論對(duì)于生理還是心理，都是無(wú)價(jià)的。

火星花園二期，這是“紅拇指”項(xiàng)目的一部分