為什么要在太空培育植物？

文/遲惑

如何利用植物保障人類在地外環(huán)境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水，是空間生命科學最為關(guān)注的問題。中國科學院空間應(yīng)用中心8月29日通報，跟隨中國空間站問天實驗艙進入太空的實驗樣品——擬南芥種子和水稻種子成功萌發(fā)，生長狀態(tài)良好。

隨著中國空間站的建造完成，未來中國空間站內(nèi)將進行更多的植物生長實驗。那么，為什么要在太空中培育植物呢？

▲ 2016年1月，在國際空間站種植的一種橙色紫荊花。

▲ 航天員在空間站里照料蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備

培育太空植物的想法由來已久

植物在外層空間的生長，是科學界非常感興趣的事情。早在1869年，短篇小說《磚月亮》（The Brick Moon）就討論了如何在月球空間站種樹的問題。作者設(shè)想，用磚頭制造一顆人造衛(wèi)星，有13個艙室。帶上天的物資當中，有一些小型的家禽和谷物。上天之后，它們根據(jù)進化論推動演化，短短幾個月內(nèi)就發(fā)展出了健全的生態(tài)系統(tǒng)。在今天看來，這玩笑開得有點大，不過我們可以斷言，在太空里培育植物，自給自足，絕不是什么新主意。

現(xiàn)代航天事業(yè)起步之后，植物經(jīng)常被帶到低地球軌道的太空中，在一個失重但加壓的受控環(huán)境中生長。在載人航天飛行環(huán)境中，它們可以作為食物，也可以代謝空氣中的二氧化碳，產(chǎn)生氧氣，并且可以幫助控制艙內(nèi)的濕度。

在太空中種植物，也可以改善航天員的心情。所以，太空植物必將是載人航天活動，特別是未來載人深空探測的重要內(nèi)容之一。

在太空中種植植物的第一個挑戰(zhàn)是如何讓植物在沒有重力的情況下生長。這不但涉及到失重如何影響根系，也考驗著人們?nèi)绾翁峁┖线m的照明——如果用陽光直接照射植物，不是把它曬死，就是會帶來無法預(yù)測的變異。特別是根系的問題，我們都知道，根系用來為植物提供營養(yǎng)，它和地球生物化學循環(huán)、土壤中的微生物相互作用的關(guān)系都很復(fù)雜。但是空間飛行已經(jīng)證明，植物根系可以在亞重力和微重力下繼續(xù)工作。

經(jīng)過多年努力，在太空種菜自己吃，已經(jīng)進入了試驗階段。2017年，在國際空間站上的一個植物生長裝置中，培育出了第五批蕪菁，一部分供航天員食用，其余部分則保存起來用于研究。我們有理由相信，太空菜園和太空農(nóng)場，不會是很遙遠的東西了。

最早的太空植物

第一批進入太空的生物體是1946年7月9日由美國發(fā)射的。當時所采用的載具是從德國搜集來的V-2火箭，發(fā)射到134千米高度。具體的物品是“特別開發(fā)的種子”，但是樣品沒有回收。1946年7月30日，美國成功發(fā)射并回收了一批玉米種子。后來，黑麥和棉花種子也上天了。這些早期的亞軌道生物實驗，是由哈佛大學和海軍研究實驗室進行的，主要研究宇宙輻射對活組織的影響。

1966年9月22日，蘇聯(lián)的宇宙110號衛(wèi)星搭載了兩只狗和一批保濕種子上天。返回地面后，這些種子中有幾顆發(fā)芽了，收獲了比地球上對照樣本更高產(chǎn)的萵苣、卷心菜和一些豆類。1971年，“阿波羅14號”攜帶500顆樹種進行了繞月飛行，包括火炬松、梧桐、楓樹、楓木、紅杉和花旗松。返回地球后，這些樹種紛紛發(fā)芽，但是沒有檢測到有什么變化。

▲ 航天員杰西卡·梅爾在國際空間站享用新鮮收獲的綠芥末

▲ V-2火箭

▲ BION5號衛(wèi)星

▲ 禮炮7號空間站

1982年，蘇聯(lián)禮炮7號空間站的航天員進行了一項實驗，由當時的立陶宛加盟共和國科學家阿方索·默克斯等人，利用Fiton-3實驗性微型溫室裝置種植了一些擬南芥，從而成為第一批在太空開花和產(chǎn)生種子的植物。在同時代，美國的天空實驗室研究了微重力和光對水稻的影響。1997年，SVET-2號空間溫室在和平號空間站上成功地實現(xiàn)了種子植物生長。

前面說到的宇宙110號屬于蘇聯(lián)/俄羅斯的BION系列生物衛(wèi)星，它以天頂號返回式衛(wèi)星為基礎(chǔ)，主要側(cè)重于對人類的輻射影響問題。該計劃到2013年共發(fā)射11顆。其中包括宇宙110號、605號、690號、782號等。

1971年，蘇聯(lián)和美國簽署了《美國和蘇聯(lián)科學和應(yīng)用協(xié)定》。蘇聯(lián)和美國在1975年的宇宙782任務(wù)上進行了第一次聯(lián)合研究，然后又參與了8次飛行試驗。1996年12月的BION 11任務(wù)是美國最后一次參與。這些任務(wù)期間，美國人總共實施了100多項實驗，飛行試驗長度從BION6號（宇宙1514號）的5天，到BION1號和宇宙110號的22天不等。

航天飛機上也進行了一些植物試驗。例如，1983年艾倫·H·布朗在哥倫比亞號航天飛機上觀察了向日葵幼苗運動記錄。他們觀察到，盡管沒有重力，幼苗仍然經(jīng)歷了旋轉(zhuǎn)生長，顯示這些行為是該植物的本能。

2018年12月，德國航空航天中心將EuCROPIS衛(wèi)星送入低地球軌道。這個任務(wù)攜帶了兩個溫室，打算在模擬月球和火星的重力下種植西紅柿（每個溫室6個月），利用人類在太空中存在的副產(chǎn)品作為營養(yǎng)來源。

空間站上的植物試驗

從禮炮號空間站到和平號空間站，再到國際空間站，植物試驗一直是重點內(nèi)容之一。上文中提到的禮炮7號空間站1982年試驗并不成功，擬南芥從種子生長到成熟，再到開花結(jié)果，算是取得了有限的成功，但植物生長非常緩慢，總體很差。這些植物在空間生長了69天。在返回地球?qū)嶒炇液?，大約有200顆種子停止發(fā)育。此外，與在相同的植物生長裝置中生長的地面對照組相比，植物生長的活力和健康程度要低得多，并且結(jié)出的許多種子都是空的。

蘇聯(lián)在和平號空間站上部署了自己的Svetoblock-M設(shè)備，進行了一些小麥生長試驗，但同樣不算成功，這種超級矮稈小麥生長了167天，但只有13厘米高，只有一個分蘗。由于光照條件差，沒有收集到種子（地球上的對照實驗中也沒有）。其中一部分小麥在返回地球?qū)嶒炇液笤谏愿叩墓庹障鲁墒?，結(jié)出了28顆種子。

直到1990年，蘇聯(lián)航天員在和平號空間站上用保加利亞研制的SVET設(shè)備對白頂紅蘿卜和大白菜進行了為期54天的長期植物實驗，才真正取得了初步成功。此后，和平號空間站上進行了大量的植物試驗，取得了不少成果。

國際空間站投入使用后，為植物試驗提供了更好的條件。這個時代的試驗設(shè)備需要按照標準實驗機柜的尺寸和接口要求來研制。不但美國和俄羅斯，歐洲和加拿大也實施了自己的植物試驗，并取得了可喜的成果。

未來的太空植物

按照科學家們的說法，建立一個以地球生物圈中的化學元素再循環(huán)為基礎(chǔ)的生物生命支持系統(tǒng)，是人類文明的一項基本卻非常復(fù)雜的科學任務(wù)，也是未來長期載人航天任務(wù)的先決條件。理論上，包含高等植物和動物的系統(tǒng)，可以確保航天員生命所需資源的90%~95%。

植物將為航天員生產(chǎn)食物和氧氣，同時消除密閉艙環(huán)境中的二氧化碳和多余濕度。與自然生態(tài)系統(tǒng)類比，生物生命支持系統(tǒng)的功能包括提供主要營養(yǎng)的生物體。第一個層次是系統(tǒng)的能量“門”，也就是把外部能量變成生物營養(yǎng)。這是系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)。而這個層次依然是由植物光合作用產(chǎn)生的。

下一個營養(yǎng)級由異養(yǎng)生物占據(jù)，包括人和動物。他們攝入植物，產(chǎn)生有機物。營養(yǎng)鏈的最后一環(huán)由不同的微生物（真菌、細菌等）構(gòu)成，它們完成有機物的分解，并將其轉(zhuǎn)化為植物利用的礦物元素。

▲ 小麥在空間站里從發(fā)芽到抽穗的過程

▲ 空間站上種植的綠色矮桿小麥和擬南芥

▲ 空間站上種植的小麥已經(jīng)抽穗

植物是生物生命支持系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，可以支持未來空間站和前往其他星球的航天器。通過實現(xiàn)可食用植物產(chǎn)品的最大產(chǎn)量，研究人員可以用太空中生長的新鮮食物補充目前從地球上運送的食物。

植物還可以通過光合作用排出氧氣，吸收航天員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳，從而再生飛船上的大氣。同時，考慮到在封閉空間長時間飛行中生活和工作的復(fù)雜性，照顧遠離地球的花園所帶來的心理影響是良性的，這將有助于宇航任務(wù)的成功。

植物雖然如此重要，但它沒有發(fā)育成熟的神經(jīng)系統(tǒng)，因此比人和動物更難適應(yīng)極端的空間條件。它們會對不利的環(huán)境條件作出反應(yīng)，產(chǎn)生“壓力”，停止生長，甚至死亡。早期的壓力跡象，肉眼是看不見的。等到人們發(fā)現(xiàn)的時候，植物可能已經(jīng)受到太大的破壞而無法挽救。

▲ 俄羅斯航天員正在照料國際空間站上的拉達系統(tǒng)

這就是今天太空植物試驗的主要任務(wù)，通過建立自動監(jiān)測手段，監(jiān)視植物的光合作用和蒸騰作用，為植物提供“無應(yīng)激生長環(huán)境”，確保它們正常生長，開花結(jié)果，成為人類的食物。

▲ 未來火星農(nóng)場的設(shè)想