在太空建“開心農(nóng)場(chǎng)”

湯波

“太瘋狂了吧，馬斯克竟然提出移民火星！”小艾正在看一篇介紹馬斯克火星移民計(jì)劃的文章，感慨地說道。

“是的，馬斯克的確是個(gè)腦洞大開、富有創(chuàng)意的企業(yè)家。馬斯克的計(jì)劃能不能成功不好說，但是人類移民火星還真有可能成功實(shí)現(xiàn)?！卑纸舆^話題。

“不可能吧，我可知道火星上干燥、寒冷，沒有空氣，是一片生物無法生存的荒漠?；鹦巧蠠o法種植莊稼，地球人移民過去吃什么呢？難道像電影《火星救援》中的主人公馬克那樣種土豆？”小艾平時(shí)沒少看關(guān)于火星的科普書和電影。

“在火星上種土豆還有一些遙遠(yuǎn)，不過在太空建設(shè)一個(gè)‘開心農(nóng)場(chǎng)不是難事。未來在月球或火星上建設(shè)太空農(nóng)場(chǎng)也極有可能?！卑只卮鸬馈?/p>

“真的嗎？我突然對(duì)這個(gè)太空農(nóng)場(chǎng)如何建設(shè)產(chǎn)生了興趣呢。爸爸，快給我講講吧！”小艾說道。

“好呀?！卑致约铀妓骱笾v了起來。

“開心農(nóng)場(chǎng)”好處多

設(shè)想一下，如果你很幸運(yùn)成為一名宇航員，一個(gè)人要在國(guó)際空間站里生活一年半載。剛開始，你一會(huì)兒俯瞰蔚藍(lán)的地球，一會(huì)兒仰望絢爛的星空，感覺非常美好。但是日子一長(zhǎng)，在狹小的空間站里，你會(huì)不會(huì)倍感孤獨(dú)？

如果能在空間站里種種菜、養(yǎng)養(yǎng)花，每天看著種子慢慢長(zhǎng)出綠芽，一點(diǎn)一點(diǎn)地長(zhǎng)大，開花結(jié)果，在這期間，你還能給這些植物施施肥、澆澆水、剪剪枝、授授粉，每天記錄一下它們的生長(zhǎng)過程，同時(shí)做一些實(shí)驗(yàn)記錄，偶爾拍一些美照或視頻，然后與地球上的同事、家人和公眾分享，是不是會(huì)為你的太空生活增加不少趣味？

盡管航天中心的營(yíng)養(yǎng)師盡其所能為你準(zhǔn)備了美味營(yíng)養(yǎng)的食物，但是航天飛船載荷畢竟有限，他們只能把食物盡量壓縮再壓縮，制作成包裝食物。當(dāng)你每天吃著這些包裝食物，肯定會(huì)覺得單調(diào)而乏味，而且這些包裝食物的營(yíng)養(yǎng)成分，特別是維生素C、維生素K等會(huì)逐漸丟失。如果時(shí)不時(shí)能吃到用自己種植的新鮮蔬菜、水果制作而成的沙拉，那是不是也算得上世間美味？

再進(jìn)一步想象一下，在未來某個(gè)時(shí)候，越來越多的人類到月球、火星等星球上工作、旅行甚至定居，他們是不是需要大量食物？而完全靠從地球上運(yùn)送食物成本將非常高昂。如果能在月球、火星或其他星球上建造一些可以重復(fù)利用的太空農(nóng)場(chǎng)，種植新鮮的蔬菜、水果、糧食甚至花卉，為人類太空旅行提供足夠新鮮的食物，或許是未來開展星際移民的重要基礎(chǔ)之一。

太空種菜已是家常便飯

人類對(duì)未知世界充滿好奇，人類對(duì)浩瀚宇宙的探索也從未止步。從邁出踏足外太空的第一步起，人類就開始探索太空環(huán)境對(duì)各種動(dòng)物、植物甚至微生物有什么影響，植物能否在太空環(huán)境里生長(zhǎng)，能否為太空旅行者提供新鮮的食物。特別是空間站建成之后，宇航員有了足夠的空間和時(shí)間，來幫助地球上的科學(xué)家解答這些問題，也順便為宇航員增加一些趣味，補(bǔ)充一些營(yíng)養(yǎng)。

1982年，蘇聯(lián)“禮炮7號(hào)”空間站的航天員利用一種微型溫室裝置，首次開展了擬南芥“從種子到種子”全生命周期培養(yǎng)試驗(yàn)，證明地球上的植物可以在地球之外生長(zhǎng)、結(jié)種，開啟了人類在太空中種菜、種花、種谷物的嘗試。隨后10多年，蘇聯(lián)宇航員相繼完成了多種植物的太空栽培試驗(yàn)。不過這些在太空生長(zhǎng)的植物并非供人食用，而是僅限于科學(xué)研究。

真正在太空種菜吃的是美國(guó)宇航員。為了讓宇航員吃上新鮮的蔬菜、水果以及其他新鮮食物，美國(guó)國(guó)家航空和航天局開發(fā)了一些植物栽培裝置，如蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)（Veggie）和高級(jí)植物棲息地（APH）。

蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)是一套適用于航天空間站、能自動(dòng)為蔬菜生長(zhǎng)提供光照、水分、空氣和營(yíng)養(yǎng)的小型植物生長(zhǎng)裝置，體積只有一個(gè)行李箱大小，一般可種植6種蔬菜。從2014年開始，美國(guó)宇航員在國(guó)際空間站用蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)相繼種植了生菜、大白菜、小白菜、羽衣甘藍(lán)、芥菜和百日菊等植物，其中一部分供科學(xué)研究，另一部分則被宇航員做成沙拉吃掉，聽說味道好極了。

高級(jí)植物棲息地則是更復(fù)雜、更加自動(dòng)化、全封閉式的植物生長(zhǎng)裝置，可以進(jìn)行更復(fù)雜、更多樣、更長(zhǎng)期的植物生長(zhǎng)研究，配備了攝像頭和180多個(gè)傳感器。這些傳感器可對(duì)光照、溫度、濕度、大氣含量等進(jìn)行感應(yīng)和調(diào)控，并與地面實(shí)驗(yàn)室保持連線，以便地面與空間站同步開展觀察和研究。迄今為止，美國(guó)宇航員已利用這一裝置，開展了擬南芥、矮稈小麥、蘿卜、辣椒等植物的全生命周期培養(yǎng)試驗(yàn)。辣椒種植試驗(yàn)是其中周期最長(zhǎng)，也是最“刺激”的試驗(yàn)，經(jīng)過三個(gè)多月的生長(zhǎng)，辣椒種子經(jīng)歷了發(fā)芽、開花、結(jié)果、成熟等全過程。2021年11月，辣椒成熟后，宇航員把其中一部分儲(chǔ)藏起來，留給地面實(shí)驗(yàn)室開展后續(xù)分析研究，另一部分則被他們制作成了美食。

水稻在中國(guó)空間站結(jié)出種子

神舟五號(hào)載人首飛、玉兔號(hào)探訪月球、祝融號(hào)巡視火星，中國(guó)空間站“太空會(huì)師”……蓬勃發(fā)展的中國(guó)航天事業(yè)也為太空農(nóng)場(chǎng)探索注入了新的活力。

2019年1月，一個(gè)神秘的科學(xué)裝置被中國(guó)月球探測(cè)器嫦娥四號(hào)運(yùn)送到了月球背面，它在執(zhí)行一項(xiàng)重要任務(wù)。這個(gè)科學(xué)裝置由重慶大學(xué)的科學(xué)家研制，里面裝載有棉花、油菜、馬鈴薯、擬南芥、酵母和果蠅6種生物。在月球背面著陸后，原本處于休眠狀態(tài)的種子開始蘇醒，進(jìn)入生物月面生長(zhǎng)發(fā)育模式。在9天時(shí)間里，植物種子開始萌發(fā)，其中棉花種子還長(zhǎng)出了嫩芽。雖然棉花種子在月球上發(fā)芽只是曇花一現(xiàn)，但這是月球上長(zhǎng)出的第一片綠葉?；蛟S在不久的將來，會(huì)有更多的植物在月球上發(fā)芽、開花和結(jié)果。

在剛剛建成的中國(guó)空間站中，中國(guó)航天員開啟了周期更長(zhǎng)的植物生長(zhǎng)試驗(yàn)，這次的試驗(yàn)對(duì)象是擬南芥和水稻。眾所周知，水稻最早起源于中國(guó)，也是中國(guó)的主要糧食作物之一，之前還沒有人開展過水稻在太空中的全生命周期培養(yǎng)試驗(yàn)。在長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的試驗(yàn)時(shí)間里，擬南芥和水稻都順利完成了種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開花結(jié)籽的全生命周期，證明水稻可在空間站生長(zhǎng)。不過，科學(xué)家觀察到，空間站培養(yǎng)的水稻的多項(xiàng)指標(biāo)與地面種植的水稻存在顯著差異，比如花期提前、灌漿時(shí)間延長(zhǎng)等等。

水稻一般具有再生能力，在正常收獲稻谷后留下的稻稈還能長(zhǎng)出稻穗，從而可提高水稻單產(chǎn)。本次試驗(yàn)也對(duì)空間站水稻的再生能力進(jìn)行了觀察，結(jié)果稻谷收獲20多天后，一株空間站的水稻同樣實(shí)現(xiàn)再生，長(zhǎng)出了兩根稻穗，說明太空水稻再生稻的種植是可行的。

我國(guó)在航天育種領(lǐng)域已經(jīng)取得了全球領(lǐng)先的科技成果。相信隨著中國(guó)空間站、載人登月工程和行星探測(cè)工程等航天工程的深入開展，我國(guó)航天員將在更廣闊的空間里種菜、種花、種莊稼，為未來太空旅行者帶來新鮮、營(yíng)養(yǎng)、美味的食物。

離真正的太空農(nóng)場(chǎng)還有多遠(yuǎn)

不過，到目前為止，這些在空間站中進(jìn)行的植物種植試驗(yàn)都是極小規(guī)模的，要真正建成太空農(nóng)場(chǎng)，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，還有許多問題需要解決。

不管月球還是火星，其惡劣的環(huán)境根本不適合植物生長(zhǎng)，所以建造太空農(nóng)場(chǎng)的第一步是要建造一個(gè)大型智能控制溫室設(shè)施，類似地球上搭建的智能溫室大棚，讓植物有“房子”住。首先，這個(gè)溫室設(shè)施是完全密閉的，能維持溫度穩(wěn)定，且能保護(hù)植物和人類免受宇宙射線的輻射；其次，這個(gè)溫室設(shè)施適合遠(yuǎn)程控制，以便科學(xué)家可以全程監(jiān)控植物的生長(zhǎng)過程，并適時(shí)對(duì)溫度、光照、大氣、水分和營(yíng)養(yǎng)素等進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

第二步是要讓植物“有吃有喝”，以保障植物生長(zhǎng)所需的供給和整個(gè)溫室設(shè)施的運(yùn)行。溫室運(yùn)行的主要?jiǎng)恿碜蕴柲馨l(fā)電，這個(gè)技術(shù)難度不大，但是要為植物生長(zhǎng)提供必要的土壤、營(yíng)養(yǎng)素、水分、大氣等，是一個(gè)大難題。土壤主要是為植物根系生長(zhǎng)提供支撐和營(yíng)養(yǎng)。研究表明，植物可以在月壤或火山灰中生長(zhǎng)，但是長(zhǎng)得比在地球土壤中要緩慢。除了土壤栽培，還可以用水培方式，這在地球上的智能溫室中比較普遍。當(dāng)然，水培需要大量的水，月球和火星都是干燥星球，水分需要人工合成，這就必須根據(jù)植物需要精準(zhǔn)給它們分配水分。植物進(jìn)行光合作用還需要二氧化碳，植物生長(zhǎng)則需要氮、磷、鉀等元素，這些都需要充分利用所在星球的原材料合成或提取。

如果“住房”和“吃喝”問題解決了，就可以把主角請(qǐng)出來了。這時(shí)候選擇種植什么樣的植物非常重要，并非所有植物都適合太空農(nóng)場(chǎng)。首先，這些候選植物必須能適應(yīng)太空的微重力、輻射多、溫差大、缺水少肥等不利條件；其次，候選植物應(yīng)富含維生素、抗氧化劑等營(yíng)養(yǎng)成分，以為航天員、太空游客或定居者補(bǔ)充更多的營(yíng)養(yǎng)成分；還有就是候選植物應(yīng)該具有生長(zhǎng)周期短、占用空間小、便于管理等特點(diǎn)。除了從已有的植物品種中篩選，未來或許會(huì)有科學(xué)家為太空農(nóng)場(chǎng)“量身定做”專門的植物品種，比如更適合在火星灰中生長(zhǎng)的土豆、在微重力條件下長(zhǎng)得更好的番茄等等。

因此，每種準(zhǔn)備在太空農(nóng)場(chǎng)種植的植物都需要精心挑選，并在地面實(shí)驗(yàn)室通過模擬測(cè)試，對(duì)其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)素、水分、大氣、光照等都進(jìn)行精確測(cè)算，以求在太空中最大限度地減少資源的浪費(fèi)。值得一提的是，美國(guó)國(guó)家航空和航天局將這部分工作交給了中學(xué)生。他們啟動(dòng)了一個(gè)“在地球之外生長(zhǎng)”公益計(jì)劃，邀請(qǐng)全美國(guó)的中學(xué)生參與太空植物生長(zhǎng)研究，篩選適合在國(guó)際空間站種植的植物。截至2022年12月，共有4萬多名中學(xué)生和他們的指導(dǎo)老師參與這項(xiàng)活動(dòng)，已經(jīng)開展了180多種植物的篩選試驗(yàn)，在蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)上種植的小白菜正是其中之一。

中國(guó)載人登月計(jì)劃正在穩(wěn)步實(shí)施，美國(guó)政府也計(jì)劃重返月球，馬斯克甚至提出在2050年前后在火星上建立可自給自足的城市，人類在地球之外定居的日子似乎越來越近。屆時(shí)，建設(shè)太空農(nóng)場(chǎng)是其中必不可少的環(huán)節(jié)，這需要全球科學(xué)家繼續(xù)完善太空農(nóng)場(chǎng)，或許你也可以參與其中。