太空“種糧種菜”不簡單

本刊綜合

不僅是航天員、“太空教師”，神舟十四號飛行乘組成員還化身為“太空菜農”。去年下半年，在他們的細心照料下，問天實驗艙中的植物一派生機勃勃。

在“天宮課堂”第三課上，陳冬、劉洋、蔡旭哲向廣大青少年展示了“太空菜園”。小麥長勢喜人；生菜翠綠，“味道美極了”；兩株擬南芥已經(jīng)開花；水稻植株茁壯生長著。

這不是中國人第一次在太空種植蔬菜和糧食作物，也不是人類第一次在空間站種植植物。從上個世紀中葉開始，人類就將植物或者植物種子作為飛行同伴，帶到了廣闊無垠的太空中進行培育。

“太空菜”和“太空糧”在太空中生長，甚至開花、結實，從地球到太空又回到地球，絕不是一趟簡單的旅行！

“天宮課堂”上的“植物秀”

在問天實驗艙內，神舟十四號飛行乘組成員在軌“種菜”，開展生命科學實驗。

在“天宮課堂”第三課的展示環(huán)節(jié)，航天員和植物都沒有閑著，各自以特別的方式帶大家感受太空中生命的魅力。

擬南芥被剪下

擬南芥生長盒的6個種植孔里分別種著開花期不同的擬南芥。去年10月中旬，5號種植孔和6號種植孔中的擬南芥已經(jīng)開花，花朵是白色的，非常小。

在“天宮課堂”上，依托科學手套箱與低溫存儲柜，陳冬戴上中國空間站里首副混合現(xiàn)實（MR）眼鏡，直播科學實驗操作—— 采集擬南芥樣本。

他首先通過混合現(xiàn)實眼鏡給開花的擬南芥拍照，再拿起小剪刀輕輕地把植株剪下來，然后把它們放到特定的瓶子中，這樣樣品就采集完成了。之后，樣品被放入-80 ℃的低溫存儲區(qū)，等“出差”結束，由航天員帶回地球，交給科學家研究。

水稻“吐水”

“太空水稻”從飽滿的種子長成了一棵棵植株，長勢也不錯。

在“天宮課堂”上，劉洋打開生命生態(tài)實驗柜，取出水稻植株。透過玻璃盒子，我們可以看到，經(jīng)過70多天的生長，高稈水稻和矮稈水稻已經(jīng)抽穗，進入種子成熟期。

咦，水稻葉尖怎么出現(xiàn)了小水滴？原來是水稻在“吐水”。這些晶瑩的小水滴會越變越大，直到貼到生長盒的壁上。告訴你們，水稻“吐水”現(xiàn)象在太空這種微重力環(huán)境中更容易被觀察到。

在水稻種子“上天”之前，厲害的科學家們就預想到了水稻會“吐水”，所以設計了智能水分回收系統(tǒng)，每天工作16個小時，基本可以實現(xiàn)水分的動態(tài)平衡。

知識多一點

在問天實驗艙內的植株茁壯生長時，地面對照實驗也在同步進行。太空中的植物與地面上生長的植物相比，株型不是很整齊，有的長歪了，有的“躺平”了，不能完全朝一個方向生長。另外，在微重力環(huán)境下，擬南芥的生長速度明顯變慢。

太空“種糧種菜”有必要

空間站的食物比較豐富，為什么航天員還要在太空種菜種糧呢？告訴你們，隨著人類在地外星球不斷“開疆拓土”，太空“種糧種菜”變得越來越重要。

節(jié)約運輸成本

假如航天員每人每天要消耗1.8千克食物，一個由四五人組成的小分隊去火星探索3年（目前從地球到火星單程飛行大約需要半年以上），那么就要攜帶將近10噸的食物，會給飛行帶來很大的負擔。

如果在太空“種糧種菜”，糧食和蔬菜等就不需要帶那么多，可以節(jié)約飛行成本。

新鮮又美味

假設火星探索需要3年，那么帶去火星的食物的保質期至少得在3年以上。而隨著時間流逝，食物的質量與口感都會下降——也許第一年味道還不錯，但第三年吃起來口感就不那么好了。

即便食物質量和口感都沒有變化，但只吃包裝好的長期儲存的食物，時間久了難免乏味。而對于時間長或者距離遠的探測任務而言，攜帶太多的天然食物，食物也可能會壞掉。

因此，在太空“種糧種菜”顯得尤其重要，不但可以保障人對食物的需求，而且種出來的蔬菜等比較新鮮，航天員無需擔心食物過期或變質、口感變差等。

構建生態(tài)系統(tǒng)

太空“種糧種菜”是構建人造生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)。植物進行光合作用消耗二氧化碳，產(chǎn)生氧氣。航天員工作生活會產(chǎn)生很多廢水，廢水被凈化后可以灌溉植物。植物的蒸騰作用將水蒸發(fā)到空氣中，水蒸氣可以冷凝制成優(yōu)質的空氣冷凝水。這種水被凈化后較安全，如果用作飲用水，人的心理接受度較高。

另外，太空栽培的研究和成果可以為地球農業(yè)生產(chǎn)提供指導。

哪些植物可以入選“太空菜園”

并不是所有的植物都可以進入太空成為“太空菜園”中的成員，植物“入住”“太空菜園”是需要經(jīng)歷嚴格的篩選的。那么，哪些植物可以入選“太空菜園”呢？

第一，考慮到人類在太空中對熱量和維生素、微量元素等營養(yǎng)物質的總體需求，可以種植一些搭配在一起能夠滿足這些需求的植物；第二，由于微重力環(huán)境下烹飪加工食物難度很大，所以應種植一些即食性果蔬；第三，由于地球生命不可能在嚴酷的太空環(huán)境條件下無保護地生存，所以在太空種植的植物必須具備高產(chǎn)優(yōu)質、低能耗的特點，同時易栽培、易管理。

具體來說，糧食作物方面，航天員可以種植小麥、大豆、水稻。蔬菜要多樣化，可以種植生菜、小白菜、小油菜、辣椒、茄子等。黃瓜是爬藤植物，很占空間，但是口感清脆爽口，如果種植需牢牢固定住，防止藤蔓滿艙飄。水果的話，種植草莓就不錯，所占空間小、掛果多。

問天實驗艙種植實驗選取的擬南芥和水稻就是兩種具有代表性的模式植物。擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物，很多蔬菜如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物，很多糧食類作物如小麥、玉米等都屬于禾本科。

選擇這兩種植物的種子更是如同選美。要把種子放在顯微鏡下觀察，從上千顆備選種子中選出健康飽滿、有活力、有光澤的，保證“上天”的種子100%萌發(fā)。

知識多一點

擬南芥是一種原生于歐洲、中亞、南亞至北非一帶的小型開花植物，在生物實驗界可謂大名鼎鼎，堪稱植物界的果蠅，是科學家們喜歡研究的模式植物。很多植物科學的研究都是先以擬南芥為對象進行研究，再向其他物種推廣的。

啥是模式植物？

生長周期短、基因組小、便于研究且在被研究的時候容易排除干擾因素的植物被稱為模式植物。擬南芥剛好滿足以上所有條件，它生長速度極快，在幾周內就能完成一個生命周期。而且，它是一種自花授粉的植物，能夠保證遺傳的穩(wěn)定性。個體也很小，可以大量繁殖，結構十分簡單，便于解剖觀察。

太空種植的諸多學問

在地球上，我們只要把種子埋在土壤里，為它澆水，再加上合適的溫度和陽光，它就能萌發(fā)、開花，甚至結果。而在太空中，環(huán)境如重力、輻射等發(fā)生了變化，“種糧種菜”得更講究。

光照

在太空種植區(qū)，蔬菜和糧食作物無法接受太陽光的照射，但是科學家可以通過調控光源的強度和光譜，為它們提供充足的光照，滿足它們的生長需求。同時，科學家會根據(jù)不同的蔬菜和糧食作物對光的不同需求，來創(chuàng)造相應的光照條件。

以生菜為例，科學家會選擇用藍色光、紅色光和綠色光來照射生菜。生菜對紅色光吸收效率非常高，所以在紅色光的照射下生長得很好。藍色光對生菜形態(tài)舒展具有較強作用。綠色光照射到生菜上，視覺效果非常好。

“土壤”

在太空中“種糧種菜”使用的“土壤”和地面上的土壤是不一樣的。

就以我國的太空種植為例吧。我們用蛭石制作供太空“蔬菜”“糧食”生長的“土壤”。

啥是蛭石？簡單地說，蛭石是一種極為常見的人造植物生長原料。它的吸水性非常好，水分在其中的傳導受重力影響很小，所以水可以順暢地向上“流動”。另外，它密度小、質量輕，便于攜帶。

水分

植物生長離不開水。而在太空中給植物供水是一大挑戰(zhàn)。

科學家會把特制的栽培盒放置在植物培養(yǎng)箱中，栽培盒中裝有特殊的栽培基質和肥料，可以在植物根部周圍均衡地分配水分、養(yǎng)分和空氣。栽培盒底部有特殊的儲水箱，航天員會根據(jù)含水率檢測裝置顯示的檢測數(shù)據(jù)，定期用注射器將水添加到栽培盒中。

科學家還可以為植物設計可以鎖水、補水的保濕“神器”。鎖水“神器”是指在栽培盒里貼上一層只透氣不透水的透氣膜，保證植物與外界有一定的氣體交換，而水又不會從透氣膜中溢出。補水“神器”指的是冷凝裝置，當植物中的水分蒸發(fā)變成水汽后，這套裝置能夠使水汽重新冷凝成液態(tài)水并導入栽培盒內，實現(xiàn)太空密閉環(huán)境下水的有效循環(huán)利用。

問天實驗艙中的擬南芥生長盒連著營養(yǎng)液包，航天員可以通過擠營養(yǎng)液包給擬南芥的生長提供必需的水分和養(yǎng)分。

跟在地球上種菜種糧一樣，在太空中“種糧種菜”也需要田間管理：間苗、拍照，檢查基質含水量和養(yǎng)分。為了保證植物根系能呼吸到新鮮空氣，航天員會定期往基質中注射空氣。

知識多一點

太空植物也向上長

太空中的植物和在地面上一樣，也是向上生長的。

雖然太空是失重環(huán)境，但植物有趨光性，所以它們依然會朝上長。同時，植物還具有趨水、趨肥性，根部會朝著富有水分和養(yǎng)分的基質生長。

太空“種糧種菜”史

有了技術保障和生物保障，在太空“種糧種菜”不再是夢想，航天員在太空吃上新鮮的蔬菜等也不再是遙不可及的事。

截至目前，人類在太空中種植了哪些蔬菜和糧食作物呢？

1978年，“禮炮6號”宇宙空間站中種植的洋蔥長得不錯。

1996年，俄羅斯宇航員在“和平號”空間站成功試種小麥。

2003年，俄羅斯宇航員馬連琴科在國際空間站培育出了第一代太空豌豆。俄羅斯宇航員卡列里收獲了第一代太空豌豆種子，并將其中的一部分重新育苗，培育出第二代太空豌豆。2004年，俄羅斯宇航員帕達爾卡在國際空間站培育出了第三代太空豌豆。

2007年，國際空間站里的大蒜正常生長。

2011年，神舟八號飛行任務組織開展“番茄試管苗空間開花結實”實驗，共搭載8株番茄蓓蕾，在太空中實現(xiàn)了開花結果。

2012年，國際空間站中，西葫蘆開花。

2015年8月，宇航員在國際空間站中種植的生菜喜獲豐收！他們開心地大嚼自己種植的太空生菜，這舌尖上的味道非同尋常，是人類邁向深空的重要一步。

2016年，“天宮二號”空間實驗室開展了高等植物培養(yǎng)實驗，航天員在太空主要種植水稻、擬南芥等植物，以檢測空間微重力對生命活動的影響。

同年11月，生菜在“天宮二號”空間實驗室被成功種植。由于這是我國首次在太空中栽培蔬菜，因此沒有讓航天員食用，而是冷凍帶回地球進行生物安全性檢測?！疤鞂m二號”艙內高等植物培養(yǎng)實驗的返回單元中還有擬南芥種子。經(jīng)歷48天的空間培育生長，擬南芥種子萌發(fā)、抽薹開花和結莢，完成了從種子到種子的發(fā)育全過程。

2019年1月，嫦娥四號生物科普實驗載荷內搭載了棉花種子和油菜、土豆等植物。

2020年11月，美國宇航員在國際空間站采收了20棵蘿卜。

2021年，宇航員在國際空間站品嘗到了太空辣椒的味道。有意思的是，在微重力環(huán)境下，這種尾部會翹起的辣椒品種的果實較為筆直。

從2022年7月29日被注入營養(yǎng)液啟動空間培養(yǎng)實驗，到同年11月25日結束實驗共120天，水稻和擬南芥種子從萌發(fā)到幼苗生長，再到開花結籽，完成了全生命周期。

民以食為天，農以種為先。相信未來，我們開辟的“太空菜園”會越來越大，更多的蔬菜、糧食作物等種子“奔向”星辰大海，在太空中萌發(fā)、茁壯成長，讓太空“種糧種菜”成為潮流，更多人有機會食用來自太空的果蔬。讓我們一起拭目以待吧！