國際空間站上的種植實(shí)驗(yàn)

文/遲惑

國際空間站上的植物種植實(shí)驗(yàn)，在很大程度上是為了給空間站上的航天員生產(chǎn)食品。

向國際空間站運(yùn)送食物的費(fèi)用估計(jì)為每千克2萬到4萬美元。每個(gè)航天員每天要消耗1.8千克食品（加包裝）。如果向繞月球軌道運(yùn)行的空間站上或火星居住地運(yùn)送食物，費(fèi)用將大大增加。第一次火星之旅預(yù)計(jì)將耗時(shí)3年往返，4人航天員組總共需要10噸左右食物。如果能在太空里種植一部分，那么就能大大節(jié)省飛行費(fèi)用。

太空規(guī)?；N植從此起步

國際空間站承擔(dān)著太空規(guī)?；N植起步的任務(wù)。多數(shù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是探索植物生長和分布與微重力、空間條件之間的關(guān)系，同時(shí)和地球?qū)φ战M進(jìn)行對比。這使科學(xué)家能夠探索某些植物的生長模式是天生的，還是環(huán)境驅(qū)動(dòng)的。

其他實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在低重力條件下，植物也有向重力性的能力。例如，歐空局的歐洲模塊化培養(yǎng)系統(tǒng)（EMCS）作為一個(gè)微型溫室，可以用來研究植物在變重力條件下的反應(yīng)。2008年的Gravi-1實(shí)驗(yàn)利用EMCS研究小扁豆幼苗生長和淀粉體運(yùn)動(dòng)的鈣依賴性途徑。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在非常低的水平，這些植物也能夠感覺到重力的方向。2014年進(jìn)行了Gravi-2試驗(yàn)，在EMCS里用離心機(jī)培育768株小扁豆幼苗。結(jié)果顯示植物在幾個(gè)重力水平下生長時(shí)，鈣質(zhì)對根生長的影響會(huì)有所不同。

許多實(shí)驗(yàn)觀察整體的植物生長模式，而不是一個(gè)特定的生長行為。例如，加拿大航天局的一項(xiàng)此類實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，白云杉幼苗在微重力空間環(huán)境中的生長與在地球上生長的幼苗不同。與地面對照組相比，太空苗的地上部和針葉生長增強(qiáng)，并且淀粉體隨機(jī)分布。

“拉達(dá)”計(jì)劃

和平號空間站上的SVET計(jì)劃經(jīng)過發(fā)展，成為美俄合作的“拉達(dá)”計(jì)劃，全名是“拉達(dá)驗(yàn)證型蔬菜生長設(shè)施”，拉達(dá)設(shè)備包括兩個(gè)蔬菜培養(yǎng)單元，一個(gè)控制單元和一個(gè)蓄水池。培養(yǎng)單元/包括照明系統(tǒng)/蔬菜培養(yǎng)室和根系模塊。照明系統(tǒng)中有兩個(gè)U形管熒光燈、葉溫紅外溫度計(jì)、監(jiān)視器和可編程數(shù)字照相機(jī)。在照明系統(tǒng)和植物之間設(shè)置了擋光門，可以完全擋住光照來模擬黑夜。還可以擋住95%光照，這樣在模擬黑夜的同時(shí)，有足夠的光照來觀察植物生長情況。

自2002年以來，拉達(dá)溫室先后進(jìn)行了超過20個(gè)單獨(dú)的植物生長實(shí)驗(yàn)。其間還發(fā)生了意外，在種植日本萵苣時(shí)，因?yàn)楣╇娔K中的傳感器故障，導(dǎo)致植物根系的實(shí)際水位高于規(guī)定水位。研究人員一度認(rèn)為，過度澆水會(huì)破壞根系中的營養(yǎng)素和氧氣吸收。然而事實(shí)證明，超量澆水讓植物發(fā)芽和發(fā)育的速度提高了一倍。這表明，科學(xué)家們之前實(shí)驗(yàn)所用的水位太保守了。第二個(gè)令人驚訝的結(jié)果是，因?yàn)樘罩蟹柿厢尫潘俣雀?、更均勻，降低了植物的鹽分積累。研究人員之前預(yù)計(jì)，太空中的鹽積累量會(huì)更大，但情況恰恰相反。

▲ 從拉達(dá)系統(tǒng)里種植出來的生菜

▲ 拉達(dá)系統(tǒng)的培養(yǎng)設(shè)施特寫

罐子中的生物學(xué)研究

上面說的都是比較大型的植物試驗(yàn)，美國宇航局還開展過一種罐子里的生物研究——碳罐生物研究（BRIC），主要對象是體積比較小、可以在培養(yǎng)皿中生長的微生物（如酵母）。目前最新的版本是BRICLED，用LED來培育植物、苔蘚、藻類和藍(lán)藻等。

▲ 拉達(dá)系統(tǒng)種植出的蔬菜準(zhǔn)備被帶回地面分析

雖然體積很小，但是BRIC的內(nèi)容還是比較有趣的。比如說，科學(xué)家們會(huì)向植物噴射一種叫做“鞭毛22”的細(xì)菌。這可以誘使植物認(rèn)為它們受到了威脅，然后啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制。噴射一小時(shí)后，再用化學(xué)固定劑澆灌，阻止所有生物過程。然后把它們深度冷凍起來，帶回地球做RNA分析。這樣的研究，有助于了解如何讓植物在太空中繁茂生長，并更好地執(zhí)行長期任務(wù)。

BRIC-24任務(wù)測試了空間環(huán)境如何影響植物中的細(xì)胞器接觸和液泡融合，這些系統(tǒng)對植物重力感應(yīng)和響應(yīng)可能很重要。具體的試驗(yàn)對象是擬南芥和水芹。

當(dāng)然，空間站上規(guī)模最大的試驗(yàn)設(shè)施，還是美國宇航局的“蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃”和“先進(jìn)棲息地”計(jì)劃。

蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃

美國宇航局的蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)（Veggie）是一個(gè)簡單、易于存放、生長量大、資源少的設(shè)施，能夠在國際空間站上生產(chǎn)新鮮蔬菜，供在軌人員食用，并供科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何在太空種植糧食作物。除了在太空中種植蔬菜外，Veggie還支持了各種實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)用于確定植物對微重力的反應(yīng)，還能幫助航天員搞好心理建設(shè)。

▲ Veggie為植物提供了相對封閉的環(huán)境

▲ 美俄航天員正在享用Veggie的成果

Veggie種植數(shù)量最多的，是拿來拌沙拉的蔬菜，給航天員提供美味、營養(yǎng)和安全的新鮮食物，并支持其放松和娛樂。Veggie可以為植物生長提供照明、水和營養(yǎng)物質(zhì)，直接利用艙內(nèi)環(huán)境控制溫度和相對濕度，并通過光合作用來吸收二氧化碳。

Veggie的光照來自一個(gè)大型可調(diào)LED燈組。植物根系采用水培方式，水池通過毛細(xì)作用向含有基質(zhì)、養(yǎng)分和種子的根枕供水，幫助種子萌發(fā)，并在整個(gè)生長周期中提供持續(xù)供水，直到蔬菜收獲。

Veggie設(shè)備是由一家叫做“軌道技術(shù)有限公司”的企業(yè)為美國宇航局設(shè)計(jì)和建造的，由美國宇航局空間生命和物理科學(xué)部門的空間生物學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)提供資金。Veggie首次上天，是搭載太空探索技術(shù)公司的SpaceX-3 CRS任務(wù)。發(fā)射時(shí)，Veggie處在折疊狀態(tài)，體積大約不到0.03立方米，入軌展開后為53 x 40厘米。該設(shè)施重7.2千克，蔬菜的生長面積約為0.3平方米，允許最大生長高度為45厘米。根墊的生長面積為0.16平方米，有2升儲(chǔ)液罐，安裝在國際空間站哥倫布艙的EXPRESS機(jī)架中。

該系統(tǒng)的峰值功率為115W，其LED燈組可支持可調(diào)波長、亮度和晝夜周期，以滿足植物的生物需求。一個(gè)透明的聚四氟乙烯蓋可以看到植物。這些植物將定期拍照，以評估植物生長速度和健康狀況。與地面對照相比，組織樣本將提供可能的生長異常信息。環(huán)境數(shù)據(jù)將由測量溫度、濕度和pCO2的數(shù)據(jù)記錄器提供。

Veggie由EXPRESS機(jī)架空氣冷卻，提供紅色、綠色和藍(lán)色光譜。種子和營養(yǎng)物質(zhì)被插入植物培養(yǎng)床，安裝在Veggie風(fēng)箱中的根墊蓄水池上。隨著植物的生長，蔬菜需要最少的航天員維護(hù)，例如加水、調(diào)節(jié)風(fēng)箱、調(diào)節(jié)通過生長空間的空氣流量等。

Veggie進(jìn)行的另一項(xiàng)研究還將提供植物和培養(yǎng)床的微生物樣本，以評估微生物污染程度，并在必要時(shí)實(shí)施糾正措施。對于大多數(shù)物種來說，微生物污染水平將在限制范圍內(nèi)，不會(huì)對航天員構(gòu)成威脅。

萵苣和東京白菜

Veggie-01中使用的測試物種是萵苣，生長在兩種不同尺寸的弧形伊利石（一種煅燒粘土介質(zhì)）中，通過比較兩種介質(zhì)之間的根區(qū)域，以確定未來植物的水分和根分布。這些植物將定期拍照，以評估植物生長速度和健康狀況。與地面對照相比，組織樣本將提供可能的生長異常信息。環(huán)境數(shù)據(jù)將由測量溫度、濕度和pCO2的數(shù)據(jù)記錄器提供。

▲ 俄羅斯航天員幫助照看Veggie

Veggie-01以返回的水樣和根墊、在生長過程軌道上獲取的圖像以及帶回地球的植物樣本的形式提供了寶貴的數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)有助于研究人員評估兩種不同的生長介質(zhì)在不同大小的顆粒內(nèi)的水分和根系分布情況，以便為未來的Veggie任務(wù)選擇介質(zhì)。

盡管整個(gè)Veggie-01實(shí)驗(yàn)取得了成功，但在植物培養(yǎng)床和輸水系統(tǒng)方面發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，導(dǎo)致對培養(yǎng)床和澆水程序進(jìn)行了修改。這些修改納入Veggie-03試驗(yàn)中，同時(shí)引入了具有不同需水量的作物。

Veggie-03標(biāo)志著Veggie植物生長單元的第二次運(yùn)行部署，使用東京白菜作為試驗(yàn)作物，同時(shí)使用兩種不同尺寸的粘土介質(zhì)，再次比較根系分布。2014年啟用以來，Veggie系統(tǒng)已成功在國際空間站上種植可食用植物。

Veggie系統(tǒng)在進(jìn)入太空之前，測試過的植物包括生菜、甜菜、蘿卜、大白菜和豌豆。除了蔬菜，美國宇航局航天員唐納德·佩蒂特還種植了一朵向日葵。

先進(jìn)植物棲息地

先進(jìn)植物棲息地（APH）是Veggie的后續(xù)型號，它與Veggie一樣，利用LED燈和多孔粘土基質(zhì)以及控釋肥料向植物根系輸送水分、養(yǎng)分和氧氣。

但與Veggie不同的是，APH是封閉式的，自動(dòng)化的，配有攝像頭和180多個(gè)傳感器，與肯尼迪中心地面團(tuán)隊(duì)保持持續(xù)的互動(dòng)聯(lián)系，不需要機(jī)組人員的日常護(hù)理。它的水回收和分配、大氣含量、濕度和溫度都是自動(dòng)化的。它的LED燈顏色比Veggie多，有紅色、綠色和藍(lán)色燈，也有白色、遠(yuǎn)紅色甚至紅外燈，可以進(jìn)行夜間成像。

▲ 在Veggie溫室中生長的萵苣

▲ 在正常光線下拍攝的太空萵苣

▲ 航天員正在測量從Veggie里收獲的萵苣

APH是國際空間站上最大的生長室，大約有一個(gè)迷你冰箱那么大。它的監(jiān)測和環(huán)境控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、氧氣和二氧化碳水平，還可以適應(yīng)不同類型的植物。雖然該系統(tǒng)基本上是自主的，但需要航天員向APH加水，并更換如乙烯洗滌器、二氧化碳洗滌器和瓶子以及過濾器。所有系統(tǒng)都可以通過地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和控制。

APH的LED系統(tǒng)也做了升級，配備有白色、紅色、藍(lán)色、綠色和遠(yuǎn)紅色LED，并且具有多種設(shè)置。通過擴(kuò)大光譜，研究人員可以拓寬他們在太空中研究的植物類型，并根據(jù)植物的獨(dú)特需求調(diào)整光線。APH還可以控制濕度和溫度，以測試?yán)硐牒筒贿m宜生長環(huán)境下的植物閾值響應(yīng)。

APH還為涉及天基農(nóng)業(yè)循環(huán)的研究提供了第一次真正的嘗試，不僅可以種植小植物，而且可以實(shí)現(xiàn)從種子到種子。這意味著，從地球上帶來的一粒種子可以長出一整棵植物，創(chuàng)造出一代又一代的后代。如果能夠獲得在太空中可行的種子，并從一粒種子中培育出多代，就具備了讓植物繁衍的能力。

▲ 低照度條件下的先進(jìn)植物棲息地培養(yǎng)箱

APH安裝在日本實(shí)驗(yàn)艙Kibo的標(biāo)準(zhǔn)EXpedite空間站實(shí)驗(yàn)處理（EXPRESS）機(jī)架中。第一批種植的是擬南芥種子，是與卷心菜、芥菜有關(guān)的小型開花植物。

這個(gè)大型封閉艙的設(shè)計(jì)目的，是支持空間站上的商業(yè)和基礎(chǔ)植物研究或其他生物科學(xué)研究，進(jìn)行長達(dá)135天的科學(xué)調(diào)查，至少連續(xù)運(yùn)行一年而無需維護(hù)。APH有一個(gè)帶傳感器的主動(dòng)供水系統(tǒng)，可檢測植物何時(shí)需要水，并根據(jù)需要保持水的流動(dòng)。

APH組件包括：

?結(jié)構(gòu)安裝組件

?空氣過濾組件（為系統(tǒng)提供過濾空氣）

?植物棲息地設(shè)施套件（包括軟管、水袋、注射器）

?科學(xué)載體（植物將在其中生長的托盤）

?生長室（植物將在其中生長的封閉空間）

?環(huán)境控制系統(tǒng)（生長室溫度、濕度和氣流控制）

?流體接口標(biāo)準(zhǔn)抽屜（包含二氧化碳瓶、儲(chǔ)水罐和氣態(tài)氮調(diào)節(jié)）

?軌道更換單元組件抽屜（配水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和主計(jì)算機(jī)）

▲ 航天員在國際空間站用畫筆幫助白菜授粉

▲ 國際空間站里的一棵西葫蘆幼苗

▲ 剛剛開始成長的辣椒

▲ 辣椒在國際空間站里開花，下面是種植床

▲ 國際空間站的第65批次美國航天員正在清理辣椒作物

?生長燈組件（照明系統(tǒng)）

木質(zhì)素的研究

APH于2018年春季首次在空間站上使用被稱作“植物研究界的白老鼠”的擬南芥和矮小麥進(jìn)行了試運(yùn)行。研究團(tuán)隊(duì)的主要興趣點(diǎn)在于考察太空植物在基因、蛋白質(zhì)和代謝物水平上發(fā)生了什么，以及為什么。

他們想回答的一個(gè)關(guān)鍵問題是微重力和植物木質(zhì)素含量之間的關(guān)系。植物中的木質(zhì)素具有與人類骨骼最相似的功能。它們賦予植物結(jié)構(gòu)和剛性，并使其能夠直立抵抗重力。已經(jīng)知道太空會(huì)導(dǎo)致人類骨骼和肌肉的損失，那么木質(zhì)素呢？

團(tuán)隊(duì)打算了解，木質(zhì)素含量較低的植物能否在太空中正常存活和發(fā)揮作用。這可能會(huì)給太空種植的植物帶來一些好處，包括人類食用時(shí)更好地吸收養(yǎng)分，以及使植物廢料更容易堆肥。

辣椒種植

2020年11月30日，國際空間站上的航天員收集了在空間站種植的第一批蘿卜，總共20棵。

2021年，APH首次種植辣椒。一共進(jìn)行了兩次種植，辣椒生長了3個(gè)多月。2021年10月，航天員們收獲了第一批辣椒，然后把它們?nèi)汲缘袅恕５诙问斋@在2021的11月26日，航天員們留下了12個(gè)，把其他的都吃了。這12個(gè)辣椒打包送回地球進(jìn)行分析。

在起飛之前，肯尼迪中心的研究人員花了兩年時(shí)間評估了來自世界各地的20多個(gè)辣椒品種。研究小組選擇了一種哈奇辣椒，這是來自新墨西哥州哈奇和新墨西哥州南部哈奇山谷的幾種不同青辣椒的通用名稱。PH-04使用NuMex“Espa?ola改良”辣椒，這是新墨西哥州立大學(xué)開發(fā)的一種雜交品種，將“Hatch Sandia”和新墨西哥北部傳統(tǒng)的“Espaáola”辣椒結(jié)合在一起。這種辣椒在APH的地面試驗(yàn)中生長最好，能夠很好地適應(yīng)受控環(huán)境。

美國宇航局肯尼迪航天中心的一個(gè)小組對48顆辣椒種子進(jìn)行了消毒，并將其種植在一種稱為科學(xué)載體的設(shè)備中，該設(shè)備中含有用于根部生長的烤粘土和一種專為辣椒配制的控釋肥料。載體搭載太空探索技術(shù)公司的第22次貨物再補(bǔ)給任務(wù)發(fā)射到空間站，安裝在APH中，由美國航天員謝恩·金布羅負(fù)責(zé)操作?？夏岬现行牡囊粋€(gè)團(tuán)隊(duì)一直在從地球上監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，控制澆水、照明和其他環(huán)境條件。軌道上的工作人員與研究人員合作，定期檢查辣椒，并執(zhí)行園藝任務(wù)，如清理APH上的植物殘骸。

目前國際空間站上的植物生長實(shí)驗(yàn)仍在持續(xù)進(jìn)行中，我們期待有更多的收獲，支持人類更好地探索太空。

▲ 空間站里辣椒成熟的場景

▲ 航天員們收獲了一批辣椒，然后把這些難得的新鮮蔬菜吃掉了