太空農(nóng)場(chǎng)：從科幻到現(xiàn)實(shí)

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(xué)最為關(guān)注的問(wèn)題。隨著中國(guó)空間站的建造完成，未來(lái)中國(guó)空間站內(nèi)將進(jìn)行更多的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。那么，為什么要在太空中培育植物呢？

百余年前的科幻幻想，今天已入航天員菜單

植物在外層空間的生長(zhǎng)，是科學(xué)界非常感興趣的事情。早在1869年，短篇小說(shuō)《磚月亮》（The BrickMoon）就討論了如何在月球空間站種樹的問(wèn)題。作者設(shè)想，用磚頭制造一顆人造衛(wèi)星，有13個(gè)艙室。帶上天的物資當(dāng)中，有一些小型的家禽和谷物。上天之后，它們根據(jù)進(jìn)化論推動(dòng)演化，短短幾個(gè)月內(nèi)就發(fā)展出了健全的生態(tài)系統(tǒng)。在今天看來(lái)，這玩笑開得有點(diǎn)大，不過(guò)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(gè)失重但加壓的受控環(huán)境中生長(zhǎng)。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(dòng)，特別是未來(lái)載人深空探測(cè)的重要內(nèi)容之一。

在太空中種植植物的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何讓植物在沒(méi)有重力的情況下生長(zhǎng)。這不但涉及到失重如何影響根系，也考驗(yàn)著人們?nèi)绾翁峁┖线m的照明——如果用陽(yáng)光直接照射植物，不是把它曬死，就是會(huì)帶來(lái)無(wú)法預(yù)測(cè)的變異。特別是根系的問(wèn)題，我們都知道，根系用來(lái)為植物提供營(yíng)養(yǎng)，它和地球生物化學(xué)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(guò)多年努力，在太空種菜自己吃，已經(jīng)進(jìn)入了試驗(yàn)階段。2017年，在國(guó)際空間站上的一個(gè)植物生長(zhǎng)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(lái)用于研究。我們有理由相信，太空菜園和太空農(nóng)場(chǎng)不會(huì)是很遙遠(yuǎn)的東西了。

最早的太空植物

第一批進(jìn)入太空的生物體是1946年7月9日由美國(guó)發(fā)射的。當(dāng)時(shí)所采用的載具是從德國(guó)搜集來(lái)的V-2火箭，發(fā)射到134km高度。具體的物品是“特別開發(fā)的種子”，但是樣品沒(méi)有回收。1946年7月30日，美國(guó)成功發(fā)射并回收了一批玉米種子。后來(lái)，黑麥和棉花種子也上天了。這些早期的亞軌道生物實(shí)驗(yàn)，是由哈佛大學(xué)和海軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，主要研究宇宙輻射對(duì)活組織的影響。

1966年9月22日，蘇聯(lián)的宇宙110號(hào)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(duì)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(hào)”攜帶500顆樹種進(jìn)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(méi)有檢測(cè)到有什么變化。

1982年，蘇聯(lián)禮炮7號(hào)空間站的航天員進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，由當(dāng)時(shí)的立陶宛加盟共和國(guó)科學(xué)家阿方索·默克斯等人，利用Fiton-3實(shí)驗(yàn)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(shí)代，美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室研究了微重力和光對(duì)水稻的影響。1997年，SVET-2號(hào)空間溫室在和平號(hào)空間站上成功地實(shí)現(xiàn)了種子植物生長(zhǎng)。

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

1971年，蘇聯(lián)和美國(guó)簽署了《美國(guó)和蘇聯(lián)科學(xué)和應(yīng)用協(xié)定》。蘇聯(lián)和美國(guó)在1975年的宇宙782任務(wù)上進(jìn)行了第一次聯(lián)合研究，然后又參與了8次飛行試驗(yàn)。1996年12月的BION11任務(wù)是美國(guó)最后一次參與。這些任務(wù)期間，美國(guó)人總共實(shí)施了100多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，飛行試驗(yàn)長(zhǎng)度從BION6號(hào)（宇宙1514號(hào)）的5天，到BION1號(hào)和宇宙110號(hào)的22天不等。

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

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

空間站上的植物試驗(yàn)

從禮炮號(hào)空間站到和平號(hào)空間站，再到國(guó)際空間站，植物試驗(yàn)一直是重點(diǎn)內(nèi)容之一。上文中提到的禮炮7號(hào)空間站1982年試驗(yàn)并不成功，擬南芥從種子生長(zhǎng)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(zhǎng)非常緩慢，總體很差。這些植物在空間生長(zhǎng)了69天。在返回地球?qū)嶒?yàn)室后，大約有200顆種子停止發(fā)育。此外，與在相同的植物生長(zhǎng)裝置中生長(zhǎng)的地面對(duì)照組相比，植物生長(zhǎng)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(hào)空間站上部署了自己的Svetoblock-M設(shè)備，進(jìn)行了一些小麥生長(zhǎng)試驗(yàn)，但同樣不算成功，這種超級(jí)矮稈小麥生長(zhǎng)了167天，但只有13cm高，只有一個(gè)分蘗。由于光照條件差，沒(méi)有收集到種子（地球上的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中也沒(méi)有）。其中一部分小麥在返回地球?qū)嶒?yàn)室后在稍高的光照下成熟，結(jié)出了28顆種子。

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

國(guó)際空間站投入使用后，為植物試驗(yàn)提供了更好的條件。這個(gè)時(shí)代的試驗(yàn)設(shè)備需要按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的尺寸和接口要求來(lái)研制。不但美國(guó)和俄羅斯，歐洲和加拿大也實(shí)施了自己的植物試驗(yàn)，并取得了可喜的成果。

未來(lái)的太空植物

按照科學(xué)家們的說(shuō)法，建立一個(gè)以地球生物圈中的化學(xué)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(xiàng)基本卻非常復(fù)雜的科學(xué)任務(wù)，也是未來(lái)長(zhǎng)期載人航天任務(wù)的先決條件。理論上，包含高等植物和動(dòng)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(shí)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(yíng)養(yǎng)的生物體。第一個(gè)層次是系統(tǒng)的能量“門”，也就是把外部能量變成生物營(yíng)養(yǎng)。這是系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)。而這個(gè)層次依然是由植物光合作用產(chǎn)生的。

下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)由異養(yǎng)生物占據(jù)，包括人和動(dòng)物。他們攝入植物，產(chǎn)生有機(jī)物。營(yíng)養(yǎng)鏈的最后一環(huán)由不同的微生物（真菌、細(xì)菌等）構(gòu)成，它們完成有機(jī)物的分解，并將其轉(zhuǎn)化為植物利用的礦物元素。

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(lái)空間站和前往其他星球的航天器。通過(guò)實(shí)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(zhǎng)的新鮮食物補(bǔ)充目前從地球上運(yùn)送的食物。

植物還可以通過(guò)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(shí)，考慮到在封閉空間長(zhǎng)時(shí)間飛行中生活和工作的復(fù)雜性，照顧遠(yuǎn)離地球的花園所帶來(lái)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(méi)有發(fā)育成熟的神經(jīng)系統(tǒng)，因此比人和動(dòng)物更難適應(yīng)極端的空間條件。它們會(huì)對(duì)不利的環(huán)境條件做出反應(yīng)，產(chǎn)生“壓力”，停止生長(zhǎng)，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(shí)候，植物可能已經(jīng)受到太大的破壞而無(wú)法挽救。

這就是今天太空植物試驗(yàn)的主要任務(wù)，通過(guò)建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，監(jiān)視植物的光合作用和蒸騰作用，為植物提供“無(wú)應(yīng)激生長(zhǎng)環(huán)境”，確保它們正常生長(zhǎng)，開花結(jié)果，成為人類的食物。

文章來(lái)源：《太空探索》雜志2022年第11期