走！去太空種地！

艾竺

人類的歷史可以說(shuō)是一部不斷追求食物的吃貨史，四十五萬(wàn)年前，我們的祖先就學(xué)會(huì)了用火加熱食物，并從收集食物一步步地演變?yōu)閷?duì)植物、動(dòng)物的馴化。歷史上的人類遷徙也都伴隨著對(duì)食物的追隨，人們知道氣候適宜、水土豐沃的地方會(huì)有良好的食物資源，不約而同地前去開(kāi)墾拓荒。

農(nóng)耕時(shí)代，人類基本上掌握了大部分作物的種植規(guī)律。發(fā)展到工業(yè)時(shí)代，從傳統(tǒng)的依賴土地種植，到現(xiàn)在的全天候可控農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)技術(shù)水平飛速發(fā)展?？萍嫉陌l(fā)展對(duì)于農(nóng)業(yè)尤為重要，以色列開(kāi)創(chuàng)了立體農(nóng)業(yè)和滴灌農(nóng)業(yè)的先河，大幅提高了有限空間下作物的生產(chǎn)效率;袁隆平院士開(kāi)創(chuàng)了水稻雜交技術(shù)，利用野生種的優(yōu)勢(shì)基因來(lái)提高水稻的平均畝產(chǎn)，改良傳統(tǒng)植株的不利性狀，并將此思路運(yùn)用到其他多種植物研究之中……

天外來(lái)菜

科學(xué)家的目光并不局限于地面，他們開(kāi)始將種菜這一領(lǐng)域瞄準(zhǔn)太空。研究者利用宇宙輻射和太空微重力等因素，誘發(fā)植物的基因發(fā)生隨機(jī)突變，將有利突變材料帶回地面種植，以追求作物的更高量產(chǎn)或更高品質(zhì)。隨著對(duì)地外生存環(huán)境的進(jìn)一步探索，科學(xué)家開(kāi)始思考能否將宇航員培養(yǎng)成“宇宙農(nóng)民”，在太空乃至地外星體完成人類對(duì)種地的夙愿。

電影《月球隕落》中，在以戴森球結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的月球中出現(xiàn)了太空農(nóng)業(yè)的影子，規(guī)?；b箱式的農(nóng)田基地分布于戴森球表面，源源不斷地為月球居民提供糧食。即便是在太空中，植物仍然作為人類的重要補(bǔ)給而存在，除了能夠提供人體必要的元素之外，還充當(dāng)起空氣循環(huán)機(jī)和宇航員的心靈慰藉。雖然影片沒(méi)有過(guò)多闡述該裝置的機(jī)制，但是幾十年來(lái)，科學(xué)家們確實(shí)一直努力嘗試在太空中發(fā)展農(nóng)業(yè)。

太空農(nóng)業(yè)，究其本質(zhì)是到地球之外繼續(xù)種菜，只不過(guò)難度系數(shù)升級(jí)，而地球之外可以是空間站，也可以是太空基地。由于目前人類的太空探索還停留在地月階段，太空農(nóng)業(yè)的種植規(guī)模也只限于在空間站中展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行“太空植物學(xué)”研究?！疤罩参飳W(xué)”是植物學(xué)的一個(gè)二級(jí)學(xué)科，同時(shí)也是太空生物學(xué)的一個(gè)分支。這一學(xué)科概念最早由蘇聯(lián)宇航員和太空生物學(xué)先驅(qū)加夫里爾·阿德里安諾維奇·蒂科夫（Gavriil?Adrianovich?Tikhov）于1945年首次提出，學(xué)科的研究對(duì)象既包括了在太空環(huán)境中生長(zhǎng)的地球植物，也包括了未來(lái)有可能在其他星球上發(fā)現(xiàn)的外星植物。

宇航員的一小口，人類的一大口

自20世紀(jì)人類開(kāi)始探索宇宙起，植物便成了各國(guó)飛行器的常客。盡管太空中沒(méi)有氧氣、水源和重力條件，甚至沒(méi)有穩(wěn)定的光源，但仍然抵擋不住科學(xué)家讓植物上天的執(zhí)著和探索未知的無(wú)窮欲望。早期的太空植物實(shí)驗(yàn)，主要研究宇宙輻射對(duì)植物基因的突變影響，培育表達(dá)新型性狀的植株。通常情況下，經(jīng)過(guò)輻射變異后的植物種子的果實(shí)會(huì)顯著變大，能夠有效提高產(chǎn)量。例如，太空西瓜、太空南瓜在經(jīng)過(guò)太空輻射后，在地面種植出的果實(shí)大了好幾倍，口感也變得更加鮮甜可口。

1946年7月6日，美國(guó)的V-2火箭升空，搭載了人類第一批植物種子進(jìn)入太空并永遠(yuǎn)駐守，同月30日，美國(guó)又將一批玉米種子送上太空，并在接受宇宙輻射后成功返回地球。之后，陸續(xù)有黑麥、棉花以及樹(shù)等不同類型的種子被送入太空并回收。在這些種子中，大部分樹(shù)種在返回地球后被種植在隔離區(qū)，沒(méi)有出現(xiàn)任何性狀的改變，而玉米、棉花等種子則在地表種植后出現(xiàn)變異性狀，果實(shí)明顯增大。

完成種子升空的嘗試后，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)移到藻類植物，希望利用以小球藻為代表的藻類植物作為氧氣制造機(jī)，因?yàn)樵孱愔参锞哂蟹敝乘俣瓤?、耐受性良好等?yōu)點(diǎn)。宇航員將光源直接嵌入藻類植物的恒化器中，以提供接近完全的光吸收環(huán)境，這種條件下的藻類植物可以提供部分供人類使用的氧氣?？茖W(xué)家還嘗試將藻類作為食物來(lái)源，但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，藻類并不適合作為長(zhǎng)期食物來(lái)源，因?yàn)楹芏嘣孱愔参锏牡鞍踪|(zhì)和核酸含量過(guò)高，而且含有大量不能消化的細(xì)胞壁，這些成分組成不利于飲食平衡。

正式宣告太空藻類用作空間站氧氣平衡失敗的，是20世紀(jì)70年代的俄羅斯BIOS項(xiàng)目（長(zhǎng)期載人航天生命保障地面模擬裝置）。在這一項(xiàng)目中，藻類提供氧氣的質(zhì)量和濃度都無(wú)法達(dá)到預(yù)期，同時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)藻類和藍(lán)藻細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性毒物，該項(xiàng)目因此以失敗告終。

太空競(jìng)賽時(shí)期，美國(guó)展開(kāi)“天空實(shí)驗(yàn)室”（Skylab）空間站計(jì)劃，俄羅斯不甘示弱地相繼發(fā)射Bion5、Bion7等生物試驗(yàn)衛(wèi)星。科學(xué)家開(kāi)始將各式各樣的植物送往太空，著眼于研究太空重力與宇宙輻射對(duì)植物的影響，探究太空環(huán)境對(duì)植物性狀的改變。

太空農(nóng)業(yè)序幕的真正拉開(kāi)是在禮炮7號(hào)空間站中，科學(xué)家首次使用微型溫室裝置培育出模式植物擬南芥，并成功開(kāi)花結(jié)果，由此宣告人類可以在太空中培育植物。

1997年，在俄羅斯的和平號(hào)空間站上，科學(xué)家們利用SVET植物生長(zhǎng)系統(tǒng)成功進(jìn)行了種子到植物的全過(guò)程實(shí)驗(yàn)。第一種被培育出來(lái)的太空蔬菜是來(lái)自國(guó)際空間站的紅葉生菜，為了克服微重力環(huán)境，作物被種植于作物枕頭中，枕頭中有用來(lái)固定種子和根系的基質(zhì)以及水、營(yíng)養(yǎng)物等元素。將種子枕頭放在培養(yǎng)箱中，使用LED燈的不同光進(jìn)行照射，植物便在這種特殊的枕頭中茁壯成長(zhǎng)。在太空中，植物會(huì)表達(dá)一種特殊的蛋白質(zhì)以適應(yīng)微重力環(huán)境，生長(zhǎng)出的根系與在地球上生長(zhǎng)的根系無(wú)太大區(qū)別，畢竟引力不是決定根系生長(zhǎng)方向的唯一因素，通過(guò)控制水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也可以決定根系的生長(zhǎng)方向。

在成功種植蔬菜后，各國(guó)宇航員開(kāi)始轉(zhuǎn)戰(zhàn)園藝方向。2012年，來(lái)自美國(guó)航天局的唐納德·佩蒂（Donald?Pettit）成功地將一株向日葵培育開(kāi)花;2016年，另一名美國(guó)宇航員也宣布由其照料的百日菊在太空中開(kāi)花，宇宙景觀園林的設(shè)想也逐漸實(shí)現(xiàn)。

“量身定制”的太空菜

太空中特殊的誘變環(huán)境，給育種提供了巨大發(fā)展空間。太空育種也稱空間誘變育種，主要是利用返回式衛(wèi)星搭載誘變材料，即各類種子，在太空中經(jīng)過(guò)宇宙高能輻射、宇宙磁場(chǎng)、高真空、高潔凈的影響后，產(chǎn)生變異，再返回地表進(jìn)行作物栽培育種的技術(shù)。

太空育種的優(yōu)勢(shì)在于有益的變異多、變幅大、穩(wěn)定快，返回地表后種出的作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗病力強(qiáng)等。太空育種的變異率較普通誘變育種高三到四倍，育種周期較雜交育種縮短約一半。經(jīng)過(guò)太空遨游后的植物種子在返回地面種植后，植株明顯增粗增高，果實(shí)變態(tài)化（即果實(shí)碩大），產(chǎn)量大幅提升。

但是太空育種仍然存在一定的局限性，植物材料的變異方向無(wú)法人為控制，唯一可控的是太空停留時(shí)長(zhǎng)。由于太空育種的精確度難以控制，帶有一定的盲目性，種子被高能離子擊中的次數(shù)并不是越多越好，在太空中停留時(shí)間也不是越長(zhǎng)越好。這就需要高能離子能夠準(zhǔn)確擊中種子的DNA鏈條，且被擊中后的DNA鏈條要向著人類需要的方向組合。因此，人為可控的太空育種仍然是科學(xué)家的研究目標(biāo)。

利用太空環(huán)境研究植物生長(zhǎng)發(fā)育和遺傳變異的工作始于20世紀(jì)60年代。在美國(guó)和俄羅斯相繼開(kāi)展空間育種后，我國(guó)從1987年開(kāi)始利用返回式衛(wèi)星和神舟飛船搭載植物種子開(kāi)展育種實(shí)驗(yàn)，至今已成功進(jìn)行了十余次太空育種試驗(yàn)，先后共有七十多種植物的一千多個(gè)品種的種子投入試驗(yàn)，培育出了一大批具有優(yōu)良性狀的新品種。

得益于植物種子體積小、便于攜帶的特點(diǎn)，太空育種在選育新品種上有較大的選擇空間，涵蓋了糧食類作物、經(jīng)濟(jì)作物、中草藥材和樹(shù)木種子。經(jīng)過(guò)選育的太空水稻“華航31”具有抗性強(qiáng)、籽粒飽滿、增產(chǎn)顯著的優(yōu)點(diǎn);太空青椒枝葉粗壯、果大肉厚、維生素C含量提高20%;太空車?yán)遄?、太空圣女果等水果的含糖量顯著提高，太空西瓜更加沙甜可口;太空玉米甚至可以結(jié)出六種顏色的果實(shí)。

太空育種的發(fā)展讓“綠月亮計(jì)劃”變得更加現(xiàn)實(shí)，未來(lái)的月球很有可能成為人類的太空農(nóng)業(yè)基地。

在空間站將小規(guī)模植物栽培結(jié)合太空育種進(jìn)行得有所起色后，下一個(gè)目標(biāo)便是在地外星體探索農(nóng)業(yè)試驗(yàn)開(kāi)展的可能性。

首先被瞄準(zhǔn)的是距離地球最近的月球。雖然月球沒(méi)有生態(tài)系統(tǒng)，但是人類從未停止對(duì)月球的想象，從月球種菜到移民基地，再到第二家園等遐想不勝枚舉。嫦娥四號(hào)探月工程不僅首次實(shí)現(xiàn)了月背降落，還完成了月面生態(tài)系統(tǒng)研究。“月面微型生態(tài)圈”是一個(gè)由特殊鋁合金材料制成的圓柱形罐體，凈容積約0.8升，總重量三千克。微型生態(tài)圈中放置有馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅、土壤、水、空氣以及照相機(jī)和信息傳輸系統(tǒng)等科研設(shè)備。

月面生物實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是在月面完成動(dòng)植物的一個(gè)生長(zhǎng)周期，時(shí)長(zhǎng)為一百天，在此之間完成植物從發(fā)芽到開(kāi)花、果蠅的繁殖以及蠶的生長(zhǎng)周期。在生態(tài)圈中，土豆作為一種理想的太空食物，其塊莖收獲指數(shù)高、加工簡(jiǎn)單、耐受性好、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值穩(wěn)定，是各國(guó)人民青睞的優(yōu)質(zhì)口糧。在月球微型生態(tài)圈中，通過(guò)光導(dǎo)管，土豆和擬南芥通過(guò)光合作用提供動(dòng)物所需氧氣，而動(dòng)物產(chǎn)出的二氧化碳又被植物所吸收，由此循環(huán)，微型生態(tài)圈便可以持續(xù)。該實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展為今后大規(guī)模生態(tài)圈的建設(shè)和太空農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

未來(lái)把菜種在地外

未來(lái)太空農(nóng)業(yè)的發(fā)展除了在其他星體外表建立封閉生態(tài)圈外，還可以利用宇宙環(huán)境來(lái)改造植物，將植物作為生物反應(yīng)器，利用基因編輯技術(shù)等手段來(lái)完成特殊物質(zhì)合成，實(shí)現(xiàn)植物利用效率最大化。

飲食是限制太空任務(wù)時(shí)長(zhǎng)的重要因素，目前宇航員在太空中的飲食基本靠地面運(yùn)輸完成，還不能完全實(shí)現(xiàn)食物自給需求。而今后的太空農(nóng)業(yè)的目標(biāo)就是要解決這一問(wèn)題，致力于在無(wú)地面運(yùn)輸?shù)臈l件下完成食物和能源供應(yīng)。

2021年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研究員任茂智團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊Nature?Communications?上發(fā)表了題為《空間農(nóng)業(yè)植物的生物技術(shù)發(fā)展》的論文，對(duì)太空全株可食馬鈴薯做了研究?，F(xiàn)階段的太空農(nóng)業(yè)只滿足于在空間站中完成生菜和芥菜等綠葉蔬菜的供給，如果人類要進(jìn)行長(zhǎng)期的太空任務(wù)和太空殖民，便需要建立有效的空間農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。為提高作物產(chǎn)率，該團(tuán)隊(duì)采用全株可食用精英植物（WBEEP，Whole-Body?Edible?and?Elite?Plant）策略，對(duì)馬鈴薯進(jìn)行改良。

電影《火星救援》中，由馬特·達(dá)蒙飾演的宇航員在火星上依靠自制的肥料和溫室條件種植土豆，最終獲得救援，但是種植的土豆僅有塊莖部位能夠食用，能量利用率無(wú)法達(dá)到最大化。任茂智研究團(tuán)隊(duì)的策略則主要攻克馬鈴薯中龍葵素（一種生物堿毒素）含量高、產(chǎn)量低和肥料利用率低等缺陷。研究人員通過(guò)靶向生物合成技術(shù)，改變植物體內(nèi)的代謝途徑，從而阻斷龍葵素在植株中的積累。為了提高作物的產(chǎn)量，他們使用基因工程策略來(lái)提高光合作用，以使得作物在太空有限的光照環(huán)境中最大限度地提高產(chǎn)量。

對(duì)于長(zhǎng)期的太空探索而言，除了滿足基本的太空飲食需求，還需要解決能源問(wèn)題。目前，除了利用地面運(yùn)輸加注燃油以及航空器利用太陽(yáng)能來(lái)獲取能源外，尚缺少其他太空能源補(bǔ)給的方案。如果能夠以生物質(zhì)能為基礎(chǔ)，將植物產(chǎn)生的代謝物作為能源使用，則可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期太空任務(wù)，加快太空探索的進(jìn)程。乙醇是人類利用時(shí)間最長(zhǎng)的能源物質(zhì)之一，如果能將植物產(chǎn)生的乙醇作為燃料在太空使用，將有望解決能源供應(yīng)問(wèn)題。

日前，來(lái)自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的彭良才研究團(tuán)隊(duì)，揭示了優(yōu)質(zhì)水稻秸稈綠色高效轉(zhuǎn)化纖維乙醇和納米材料機(jī)制。植物細(xì)胞壁具有天然抗降解的屏障，因而制約了生物質(zhì)的全面利用，遺傳改良細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，可以從源頭上解決作物秸稈的利用問(wèn)題。該研究利用水稻突變體Osgfc16，降低了抗降解屏障，大幅提高了秸稈的直接酶解效率，其中，纖維乙醇的產(chǎn)率顯著提高19%。該發(fā)現(xiàn)或許可以作為提供太空能源的補(bǔ)充思路，將無(wú)法食用的植物部分通過(guò)降解循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化，最大限度地利用植株。

嫦娥五號(hào)任務(wù)結(jié)束后，嫦娥六號(hào)預(yù)計(jì)在月球表面搭載溫室，進(jìn)一步開(kāi)展月面栽培試驗(yàn)。試驗(yàn)主要研究溫室在月球環(huán)境中如何克服高強(qiáng)宇宙射線、極限溫度對(duì)植株的影響，確保植株成活及完成生長(zhǎng)周期等任務(wù)。中國(guó)國(guó)家航天局也公布了探月計(jì)劃的下一階段目標(biāo)：2030年在月球建立第一個(gè)國(guó)際科研站;2030年至2035年間建成拓展型的國(guó)際月球科研站;2036年至2045年正式建成月球基地，派駐宇航員長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)。

相信隨著宇宙科研站的建立，未來(lái)勢(shì)必會(huì)有如同電影中方艙般的大片農(nóng)田進(jìn)入我們的視野。正如楊利偉所說(shuō)，未來(lái)我們會(huì)在太空建立“太空農(nóng)場(chǎng)”，依靠多種能源供給產(chǎn)生可持續(xù)動(dòng)力，依托精準(zhǔn)育種培育人類的多樣化目標(biāo)產(chǎn)物。如此，人類耕種的火苗將在地外遍布開(kāi)來(lái)。

【責(zé)任編輯?：竹?子】