“和平號”上的保加利亞溫室

文/松堂

世界上第一個功能完整的空間植物培育設(shè)施，設(shè)計(jì)者不是來自美國，不是來自蘇聯(lián)或者俄羅斯，也不是來自西歐發(fā)達(dá)國家或日本，而是來自東歐小國保加利亞。1983年至1991年，蘇聯(lián)和保加利亞在“宇宙間”計(jì)劃框架內(nèi)進(jìn)行了合作，研制SVET設(shè)備。

SVET空間溫室

SVET空間溫室有1000平方厘米的種植面積，可容納40株成熟植物。植物室由熒光燈照明，有兩個寬窗戶（前面的窗戶是透明的），供工作人員播種、觀察和取樣。根模塊分為兩個相等的部分，并填充一種富含礦物鹽的天然沸石，以維持幾個連續(xù)的作物周期。這是保加利亞的原始技術(shù)。此模塊可更換，安裝在導(dǎo)軌上，就像抽屜一樣。通過傳感器、閥門和水泵將基質(zhì)水分精確控制在理想水平，并向根部區(qū)域供應(yīng)必要的氧氣。

控制器從芽區(qū)和根區(qū)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用燈、通風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制。1990年6月16日，蘇聯(lián)航天員亞歷山大·巴蘭德和安納托利·索洛維約夫?qū)Π醉敿t蘿卜和大白菜進(jìn)行了第一次為期54天的長期植物實(shí)驗(yàn)，稱為“溫室1”。

當(dāng)新鮮植物樣本返回地球進(jìn)行調(diào)查時(shí)，它們發(fā)育良好，這是人類第一次在微重力條件下種植蘿卜根作物，但它們的體積只有地面上對照組的三分之一。在空間和地球條件下生長的植物的生物量差異很大（4~8倍），表明空間植物遭遇了嚴(yán)重的水分和養(yǎng)分不足，植物根系介質(zhì)中的最佳空氣和水分含量之間的平衡受到干擾。

▲ SVET的外觀

無論如何，第一次實(shí)驗(yàn)取得了無可爭議的成功，證明了保加利亞空間研究設(shè)備和生物技術(shù)的效率。但是這次試驗(yàn)的尾聲正值蘇聯(lián)解體，后續(xù)試驗(yàn)停滯了5年。

美俄合作下的SVET

美國宇航局對和平號空間站的興趣挽救了SVET。1993年，美國副總統(tǒng)戈?duì)柡投砹_斯總理維克托·切爾諾梅爾金簽署了一項(xiàng)協(xié)議，利用“和平號”上可用的硬件設(shè)施進(jìn)行聯(lián)合空間研究。1994年4月，美、俄、保加利亞在莫斯科簽署了一項(xiàng)協(xié)議，以便在1995年至1997年期間在“和平號”上用SVET進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)。基本的生物學(xué)任務(wù)是在美國航天員的參與下，實(shí)現(xiàn)完整的小麥種子到種子生命周期，通過多次航天飛機(jī)和俄羅斯貨運(yùn)任務(wù)來運(yùn)送設(shè)備和樣本。保加利亞繼續(xù)負(fù)責(zé)研制第二代改良的SVET-2空間溫室。

根據(jù)協(xié)議，美國猶他州立大學(xué)空間動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了美國氣體交換測量系統(tǒng)（GEMS），用于加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測。GEMS于1995年添加到在軌的SVET空間溫室中。

新的SVET-2在植物上方放置兩個單獨(dú)的透明袋，一個袋位于封閉植物室體積的兩個根模塊部分上，以便進(jìn)行局部氣體交換和葉片環(huán)境測量，GEMS提供了四個紅外高精度氣體分析儀，測量進(jìn)入和離開每個袋的空氣中的絕對二氧化碳和水蒸氣水平及其差異，以及被測氣體的絕對壓力和壓差。這些是評估植物的光合作用、呼吸和蒸騰所必需的。同時(shí)還需測量艙內(nèi)壓力和氧氣水平。用筆記本電腦將所有環(huán)境數(shù)據(jù)收集在一個磁盤上，并在任務(wù)結(jié)束時(shí)將這些數(shù)據(jù)帶到地球。

SVET系統(tǒng)為每個根模塊部分設(shè)置一個基板濕度傳感器，足以測量和控制基板濕度水平。GEMS還帶有16個基板濕度傳感器（每個模塊8個），以監(jiān)測整個基板體積中的水分分布。

1995年至1997年，在SVETGEMS復(fù)合體中進(jìn)行了一系列長期植物試驗(yàn)。1995年，作為和平號空間站-航天飛機(jī)計(jì)劃的一部分，首次嘗試在該復(fù)合體中種植超矮稈小麥。

在為期90天的實(shí)驗(yàn)中，“溫室2a”的弱光強(qiáng)度和其他技術(shù)問題嚴(yán)重干擾了小麥植株的遺傳循環(huán)。1996年，保加利亞科學(xué)家開發(fā)了一種新的改良設(shè)備，發(fā)射到“和平號”上。新的照明單元的燈光強(qiáng)度是2.5倍，其他所有單元都運(yùn)行良好。

超級矮稈小麥實(shí)驗(yàn)“溫室2b”于1996年在新的SVET-2-GEMS復(fù)合體中重復(fù)進(jìn)行。溫室2b實(shí)驗(yàn)分為123天和42天兩個階段進(jìn)行。在第一階段，目標(biāo)是在完整的種子到種子生命周期中種植小麥。雖然生長區(qū)發(fā)育了297個外觀完美的小麥穗，但所有的穗都是不育的，在花粉發(fā)育階段發(fā)育停止。地面研究證明，在“和平號”艙內(nèi)空氣中，1~2 ppm的乙烯可誘導(dǎo)小麥植株雄性不育。

在第二個試驗(yàn)階段種植了新的小麥種子，安裝了葉袋，并首次使用GEMS設(shè)備成功進(jìn)行了為期12天的蒸騰和光合作用測量。GEMS證明，在太空中可以進(jìn)行開放式氣體交換測量。綠色植物被冷凍后返回地球進(jìn)行生化分析。

▲ SVET的組成

▲ SVET里生長的植物

▲和平號空間站和美國航天飛機(jī)的合作飛行，使STVE實(shí)驗(yàn)得以長期進(jìn)行

1997年，在SVET-2-GEMS設(shè)備上進(jìn)行的“溫室3”種子播種試驗(yàn)中，使用了一種生命周期很短的芥菜屬植物——蕓苔屬油菜。

1997年6月25日，“ 和 平號”與進(jìn)步號補(bǔ)給飛船相撞，導(dǎo)致SVET-2空間溫室斷電，溫度降低，大氣壓力和組成發(fā)生變化。美國航天員邁克爾·福勒通過電線將核心艙的電能傳輸至SVET，挽救了實(shí)驗(yàn)，保證了太空中第一個種子-種子全生育周期的成功。第一次太空種子（在太空中產(chǎn)生）再次播種發(fā)芽，培育出一株正常的植物。

在天上種小麥

▲ 和平號空間站

但科學(xué)家們的奮斗目標(biāo)是種植小麥種子。美國猶他州立大學(xué)的科學(xué)家布魯斯·巴格比建議使用另一種小麥品種“遠(yuǎn)地點(diǎn)”，因?yàn)樗艿挚垢咭蚁舛取?/p>

小麥植物實(shí)驗(yàn)在1998~1999年繼續(xù)進(jìn)行。“溫室4”和“溫室5”實(shí)驗(yàn)由俄羅斯航天員進(jìn)行。在“溫室4”實(shí)驗(yàn)中，12顆“遠(yuǎn)地點(diǎn)”共產(chǎn)生了508顆種子。采集了干物質(zhì)樣品，大部分種子返回地球。

在“溫室5”實(shí)驗(yàn)中，種植了10顆太空生產(chǎn)的種子，其中一顆產(chǎn)生了第二代太空種子。這兩次實(shí)驗(yàn)期間產(chǎn)生的所有種子都是正常的。它們在地球上種植后發(fā)芽，長出了健康的綠色植物。

SVET-2“溫室6”的最后一次實(shí)驗(yàn)于2000年5月至6月進(jìn)行。四種不同品種的萵苣作物（蕓苔屬）的種子由和平號空間站的最后一批航天員種植并正常生長。選擇這些植物是因?yàn)樗鼈兊闹脖恢芷谳^短。每種植物的樣本都被帶回了地球。而其余的則由航天員謝爾蓋·扎利奧廷和亞歷山大·卡勒里愉快地品嘗，評估植物產(chǎn)品的風(fēng)味質(zhì)量。

▲ 和平號空間站上的SVET系統(tǒng)