太空農業發展史

雷蒙德·M.惠勒

1880年，小說家珀西·格雷格寫了一個去往火星的太空旅行者的故事，故事里講到他如何使用隨身攜帶的植物來實現廢物回收。幾十年后的20世紀20年代，俄羅斯航空科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描述了在溫室密閉的環境下人類與植物可能的共存場景。

齊奧爾科夫斯基設想的農業模型可以收集陽光并在降低的氣壓下減少內部力量和結構質量。他還設計了一個溫室模型草圖，談到在里面種植香蕉和其他作物。幾十年后，在一本名為《火箭與太空旅行》的書中，作者威利·萊認為，如果太空旅行的時間相當長，可以通過種植作物來獲取和儲存氧氣，并且認為南瓜是個不錯的候選作物。

對人類與植物在太空中共生的興趣促使人們開始測試藻類作為生命保障的可能性，以20世紀五六十年代杰克·邁爾斯和其他科學家為美國空軍和美國航空航天局所做的工作為開始的標志。

太空農業系統的基礎可以通過人類呼吸和植物光合作用的一般代謝方程來對比歸納，植物或其他光合生物體通過光合作用產生生物量與氧氣，同時消耗空氣中的二氧化碳。通過選擇合適的物種，比如農作物，該生物量的一部分可以作為食物。此外，還有一個不太明顯但具有相當價值的貢獻，那就是廢水可以通過循環回到植物中，所得的蒸騰物濃縮后可轉化為潔凈的水。

50多年來，太空農業和生物再生生命保障課題已激發了全世界無數才華橫溢的研究人員，下面便是一些研究人員、設施及成果。

藻類“農業”

20世紀五六十年代，太空農業領域的初步研究主要集中在藻類，特別是小球藻屬。小球藻具有耐活、繁殖快的屬性，在培養器（如恒化器）中較易培養，可將光源直接嵌入培養器，或者將培養器圍在光源周圍，從而提供近乎完全的光吸收環境。這些研究表明，在面積為5平方米至50平方米的空間使用照明功率為10千瓦至100千瓦的光照能產生可供一人使用的氧氣。研究人員還對其他藻類和藍藻細菌進行了研究，包括藍細菌、胞藻、柵藻、聚球藻和螺旋藻。

在美國學者進行以上這些研究的同時，俄羅斯研究人員正在封閉環境中使用藻類生物反應器和植物生成氧氣。

大多數早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星” 計劃和“雙子座”計劃中產生氧氣。遺憾的是， 初期研究中產生的氧氣的質量和濃度都無法勝任短期任務，但這類研究還是引起了人們的廣泛關注。

然而，將藻類轉化為可食用的食物具有很大的挑戰性。因為很多藻類的蛋白質和核酸含量過高，不利于飲食平衡，還有許多藻類含有大量人體不能消化的細胞壁成分。其他研究還發現，一些藻類和藍藻細菌會產生毒性揮發物，正是這些毒性揮發物導致了20世紀70年代俄羅斯早期BIOS 項目（即長期載人航天生命保障地面模擬裝置，是蘇聯科學院西伯利亞分院生物物理所于20世紀70年代早期研制的人工密閉“人-植物”生態系統）的失敗。

太空農業植物

植物（作物）作為食物已被人類食用了數千年，而且具有與藻類相同的大氣再生功能。美國航空航天局成立后不久，科研人員在俄亥俄州的賴特·帕特森空軍基地召開了一次“生物物理研討會”，會上列出了一個可為太空任務補充膳食的作物清單。選擇的標準包括：具有在光照少、空間小的環境下生長的能力，高產，以及對氯化鈉（來自尿液回收）的滲透應力具有耐受性。這個清單包括：萵苣、大白菜、花椰菜、甘藍、蘿卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西蘭菠菜、莧菜和甘薯。盡管有這么多的備選作物，但在20世紀六七十年代，美國空間計劃中為生命保障而進行的作物測試都處于停滯狀態。

在過去幾十年間，植物的種植方式有了重大改進，包括使用高強度照明系統來實現更高的光照強度，采用植物間距法來減少光照浪費，使用水培方法以避免水分和養分脅迫，以及通過二氧化碳濃縮方法來提高光合作用率和產量，等等。這一系列措施使植物/ 作物的產量穩步提高，從而對藻類形成強有力的競爭。

俄羅斯的探索性研究

與此同時，作為BIOS計劃的一部分，俄羅斯的生物再生測試也蓬勃發展起來。計劃中對生活在封閉環境中的人員進行了測試，他們在封閉環境中種植作物作為主要食物來源，并利用小麥等作物實現大氣再生；在有些實驗中，還會將營養和水（來自尿液和洗衣水）回收到植物中。克拉斯諾亞爾斯克生物物理研究所的研究人員曾一度接近100人，在長達15年的時間里，一共進行了3次以人為研究對象的封閉生命保障測試。在一些測試中也使用了藻類（小球藻）培養器，日產氧

氣量高達1800升。

但是，當藻類生長室與植物生長室連通后，小麥的生長發育變緩了，麥穗枯瘦，馬鈴薯和番茄停止生長，黃瓜也不再開花且葉片變黃，甜菜葉里檢測到濃度很高的花青素。這表明，藻類產生了一些不明毒性的揮發物。因此，在20世紀70年代末80年代初，BIOS計劃將研究方向轉向光合作用生產。據我所知，這是第一個超過田間產量的受控環境農業系統。

早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡蘿卜、蒔蘿、蘿卜、大白菜、黃瓜、洋蔥和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡蘿卜、蘿卜、甜菜、洋蔥、蒔蘿、番茄、黃瓜和馬鈴薯，而小麥的種植貫穿整個研究階段。

20世紀70年代，在為期兩個月的測試期內，兩個BIOS-3植物生長室（總面積為41平方米）共生產植物干質量約117千克，其中有37.4千克是可以食用的。測試中，BIOS-3生長室中二氧化碳的濃度從6‰至24‰不等，平均濃度超過1%。該數字表明，在密閉系統中達到人與植物的最佳水平還是可能的。有趣的是，超高濃度的二氧化碳對作物的影響一直是太空農業的一個重要領域。在研究后期，還測試過將人類尿液直接回收到小麥作物中的可能性，結果顯示，營養液中的鈉積

累對被測試小麥的長勢幾乎沒有什么影響，證明了已具備將廢水中的營養和水直接回收到植物中的能力。

當克拉斯諾亞爾斯克生物物理研究所致力大規模的地面太空農業實驗時，其他俄羅斯研究人員，尤其是莫斯科的俄羅斯科學院生物醫學問題研究所，開始測試如何在太空設施中（如“和平”號空間站或國際空間站）實際開展農業。于是，Svet植物生長室在“和平”號空間站應運而生，開始對小麥以及其他植物進行貫穿整個生長周期的研究。此后，人們以Svet植物生長室為藍本建造了較小的Lada植物生長室，后者被送到國際空間站。Lada植物生長室針對小麥、豌豆、大麥展開大量研究，并對空間作物的食品安全問題進行研究。

Lada的各項硬件設施還被用來研究空間顆粒介質中水和氣體的相互作用。生物醫學問題研究所的尤利·別爾科維奇教授及其同事還研發了一種植物生長輸送機，可以在微重力環境下連續生產。

美國航空航天局的研究

1980年，美國航空航天局開啟封閉（或可控）生態生命保障系統，或稱為CELSS計劃，從而重啟生物再生研究。此時的作物清單開始考慮人類更廣泛的營養需求（如碳水化合物、蛋白質和脂肪），并開始考慮收獲指數、食品加工和園藝要求。清單中常見的作物有：小麥、大豆、馬鈴薯、大米、甘薯、萵苣和花生。

美國航空航天局的CELSS計劃在20世紀80年代迅速擴大，大部分研究都在大學開展，艾姆斯研究中心承擔了部分研究。實驗通常在具有電照明的生長室中進行，使用水培法或固體生長培養基方法培植。

美國航空航天局的研究人員還研究了二氧化碳增多對植物生長和生理的影響。此外，作為CELSS計劃和隨后的先進生命保障計劃的一部分，研究人員就作物對溫度、濕度、礦物營養、光合有效輻射、光周期，甚至光譜質量的應激反應進行了廣泛的測試。美國航空航天局為威斯康星大學空間自動化與機器人中心提供資金，啟動了用于宇宙飛船的宇宙培養植物生長室的LED測試。1990年，LED用于植物種植成為一項專利。之后，LED照明在受控環境農業中被廣泛應用，這是空間研究反哺地球農業的一個很好的例證。此外，美國航空航天局還資助了針對空間飛行器（微

重力環境下）的灌溉測試，例如在太空中使用多孔膜或管道來澆灌植物。

美國航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物質生產室（BPC），該生產室的運行時間為1988年至2000年，被稱為“試驗板” 計劃。BPC是一個面積為20平方米的封閉種植區域，與在太空中可能遇到的情況類似。那時的人們并不知道，這可能是第一個垂直農業系統。測試內容包括4種小麥（每種種植時間約86天）、3種馬鈴薯（每種種植時間為105天）、3種大豆（每種種植時間為90天）、4種萵苣（每種種植時間為28天）、2種番茄（每種種植時間為85天），以及對大

米與蘿卜的探索實驗。在同一養分溶液中對馬鈴薯的連續測試顯示，第一次播種后形成了塊莖誘導，這證實了生長室研究中觀測到的結果，即營養液中積累了不明塊莖誘導或激素類因子。

同時，BPC測試還允許利用光和二氧化碳來評估作物性能的瞬態變化、光合二氧化碳補償點的測量等。美國航空航天局的BPC研究是首次跟蹤不同作物的全冠層乙烯生產率的研究，結果表明正常生長和發育過程中都會產生乙烯，特別是在營養生長期、葉片快速膨脹期和更年性果實成熟期間。使用水培營養膜技術大規模培植馬鈴薯的研究顯示，營養膜技術也適用于其他地下作物，如甘薯和花生。

盡管BPC測試的作物產量很高，但通常小于使用較小生長室進行研究測得的最佳產量。這是一個相當重要的觀測結果，可能與以下幾個因素相關：首先，較小生長室通常具有更明顯的側面照明邊緣效應，從而提高產量；其次，面積越大，時間和物流需求越大，對個體植物的關注度通常會降低；第三，封閉空間內揮發性有機化合物的累積可能會對BPC 測試中的作物產量產生一些負面影響。

與俄羅斯人一樣，美國航空航天局為封閉系統中的人類開發出了綜合的生物再生生命保障測試功能。這些研究在美國航空航天局約翰遜航天中心進行，一系列測試的結果顯示，強光照條件下只需要11平方米的小麥就可以滿足一個人的需氧量。

該系列測試的下一步是建造一個更大的設施，使其最終能夠為以植物為主要食物來源的受測人員提供生命保障需求。這一更大的設備就是懸液芯片系統（BIO-Plex），包括兩個大型農業模型。同時，美國航空航天局還資助了旨在開發行星表面環境下有可能與人類棲息地相通的溫室結構的各種嘗試，該構想可以使用電照明，或者由系統直接捕獲太陽光，或者由收集器采集陽光，再由光纖傳輸到受保護的棲息地。此外，還在美國南極站等孤立環境中進行了植物生長的相關測

試，很好地模擬了太空中的孤立環境。

但是，BIO-Plex系統并沒有完成使命，美國航空航天局的大規模生物再生生命保障系統也于2000年左右終止了。

“生物圈2”號

當然，在封閉生態系統的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世紀80年代末至90年代初在美國亞利桑那州圖森市附近設計和建造的由私人贊助的“生物圈2”號設施。這一封閉設施面積約1.2公頃，包括人類生活區和多種生態系統，動植物種類繁多，環境管理和控制能力復雜?！吧锶?”號的規模和復雜程度遠遠超過了大多數空間機構對早期任務所設的預想，他們的目標，即了解封閉生態系統和為人類生命提供保障的生物再生方法，對太空農業面臨的挑戰提供了深刻洞見。“生物圈2”號團隊仍然在較小的實驗室規模模塊里進行實驗，并在密閉系統中對

諸如墨西哥豆、豇豆、甘薯和小麥等作物進行研究。同時，他們的這一行為也已被世界上各團體討論和仿效。

在對包括太空農業在內的再生生命保障系統積極研究期間，由羅格斯大學的哈里·詹妮斯博士主編的《生命保障與生物圈科學》雜志（1994—2002）發表了大量與生命保障和太空農業有關的文章。該雜志后來更名為《棲息地研究》。盡管該雜志現已停止出版，但是它對20世紀90年代初至21世紀初期的生物再生和可控環境農業的研究提供了寶貴資源。