飛出地球搞農(nóng)業(yè)

文| 馬 迪

完成“從種子到種子”的全生命周期實(shí)驗(yàn)才是保障太空“菜籃子”“米袋子”的關(guān)鍵。

今年中秋，神舟十四號(hào)航天員們?cè)谥袊?guó)空間站里度過(guò)了一個(gè)難忘的團(tuán)圓節(jié)。地面支持團(tuán)隊(duì)幾個(gè)月前就精心準(zhǔn)備了“四涼八熱”十二道風(fēng)味菜，除了主菜，神十四乘組還有“隱藏菜單”—航天員蔡旭哲攜帶的種子，已長(zhǎng)成了綠油油的太空生菜。

這是中國(guó)航天員首次直接吃在太空中種植的生菜，據(jù)說(shuō)跟地球生菜的味道沒(méi)什么差異。

論進(jìn)入太空的時(shí)間，植物可比人類要早多了。

1946年7月，美國(guó)人把玉米、黑麥和棉花種子送上了天，并成功回收；1957年，蘇聯(lián)人發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星SPUTNIK，搭載小球藻和多種植物種子遨游太空。

最初這些試驗(yàn)并未建立專門的植物栽培裝置，因?yàn)楸藭r(shí)試驗(yàn)的主要目的是將返回后的植物種子或樣品重新在地球栽培，觀察這些“上過(guò)天”的植物有哪些變化。人們很快發(fā)現(xiàn)這種短途旅行對(duì)它們毫無(wú)影響。

1961年，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一艘載人飛船東方一號(hào)，與第一位進(jìn)入太空的地球人加加林結(jié)伴進(jìn)入太空的是一批幸運(yùn)的小球藻。此后數(shù)十年的載人航天史，植物與人類始終相伴。

前蘇聯(lián)于1971年發(fā)射了“禮炮1號(hào)”空間站，并在空間站建成了第一個(gè)空間植物栽培裝置，取名“綠洲1號(hào)”。在第一次任務(wù)中，航天員栽培的30株豌豆只有4株成熟，有可能是因?yàn)槭艿搅诉^(guò)強(qiáng)的光照。“綠洲”后續(xù)還有一系列實(shí)驗(yàn)，開啟了太空植物栽培的時(shí)代。

在空間站，植物面臨的最大挑戰(zhàn)是微重力環(huán)境。

數(shù)億年的進(jìn)化讓所有生命適應(yīng)了重力。在地球上，植物的根是扎向土壤深處，莖則與之相反向上生長(zhǎng)。在植物根尖細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的一些淀粉顆粒受重力影響聚集在細(xì)胞質(zhì)底部，細(xì)胞感受到重力方向就會(huì)調(diào)整細(xì)胞膜上一些運(yùn)輸?shù)鞍椎奈恢?，改變生長(zhǎng)激素的分布，讓根向下生長(zhǎng)。

而在太空微重力環(huán)境中，植物這套感應(yīng)重力的機(jī)制就變得無(wú)效了，像是患上了“航天綜合癥”—根系生長(zhǎng)雜亂、莖桿不規(guī)則的扭曲、生長(zhǎng)速度異常、葉片排列混亂……這些宏觀形態(tài)上的變化，都反映了植物細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于失去重力而發(fā)生的紊亂。

比如前文中被航天員吃掉的生菜，它的外觀其實(shí)很特別，植株整體顏色呈現(xiàn)均勻分布的綠色。這說(shuō)明它的葉綠素在微重力環(huán)境中變得混亂，就像被搖勻的調(diào)色瓶。

在過(guò)去60多年中，科學(xué)家們對(duì)于在空間栽培植物進(jìn)行了大量研究，在各種空間飛行器中進(jìn)行了20多種植物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)植物加深了解了重力在生物生命活動(dòng)中的作用機(jī)制—這是載人航天工程需要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。

2016年10月，中國(guó)航天員中心研制了中國(guó)第一個(gè)真正意義上的空間植物栽培裝置，并在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了在軌試驗(yàn)。我們的研究重點(diǎn)逐漸由植物的萌發(fā)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向了開花結(jié)果。

農(nóng)作物的種子既是糧食，也是繁殖下一代的載體，因此完成“從種子到種子”的全生命周期實(shí)驗(yàn)才是保障太空“菜籃子”“米袋子”的關(guān)鍵。此前國(guó)際上只有油菜、小麥和豌豆等幾種作物完成了“從種子到種子”的實(shí)驗(yàn)，但出現(xiàn)了不同程度的開花延遲、開花少、結(jié)果率低、種子質(zhì)量下降等問(wèn)題。

這次中國(guó)空間站種植實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是極具代表性的擬南芥和水稻。擬南芥是雙子葉、十字花科植物，跟青菜、油菜等蔬菜是親戚，需要長(zhǎng)時(shí)間光照，在太空中享受開16小時(shí)、關(guān)8小時(shí)的控光照明；水稻則屬于單子葉、短日照、禾本科植物，小麥、玉米等糧食作物都屬于禾本科，每天只要12小時(shí)光照即可。

種植開始24天后，從空間站傳回的影像中可以看到，太空擬南芥和太空水稻都已進(jìn)入幼苗階段。尤其是太空高桿水稻，已經(jīng)長(zhǎng)到了30厘米高，葉子呈現(xiàn)螺旋形，看上去“身嬌體軟”，讓人印象深刻。據(jù)科研人員介紹，地球上的高稈水稻一般70天左右結(jié)籽，但在太空可能需要更長(zhǎng)時(shí)間，預(yù)計(jì)兩到三個(gè)月可以結(jié)出種子。到時(shí)將由航天員采集樣品、冷凍保存，返回地面后再加以分析，也許會(huì)有意外的收獲。

千百年來(lái)，人類都是在地球上種田，而現(xiàn)在，我們正在嘗試在太空中開辟一片“沃土”。再遙遠(yuǎn)的星辰大海，也離不開植物的陪伴和供養(yǎng)，空間站已經(jīng)為我們邁出了第一步。